某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的安全性分析

王红伟,蓝日彦,冯学茂,刘 栋,刘全佩

(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西大学,广西 南宁 530004)

0 引言

由于车辆荷载、腐蚀环境等因素影响,桥梁在服役期内会出现各种威胁安全性和耐久性的病害[1-2],尤其是各类旧桥,准确地获取和评估病害对承载力的影响对保障旧桥的安全性具有重要的意义。目前,国内针对旧桥的检测多是采用人工的方法,新检测技术和新检测装备也发展迅速[3-4],例如智能机器人、声波CT技术[5]和基于Mask RCNN的桥梁裂缝检测方法[6]等,相关研究也比较丰富,有力地促进了桥梁病害检测技术的发展。关于桥梁状态的评估,目前多是基于人工检测结果结合技术状况评定规范来进行,王磊等[7]基于中美两国桥梁承载力评定规范对比指出美国的桥梁承载力评定结果略显保守,中国的评定流程与计算公式更加简洁。也有学者开展了不同评估方法对比研究,龚江烈等[8]分析了目前常用评定方法的优缺点,提出了基于振动特性的原始指纹评定法。此外,也有将材质状况与模糊评判结合起来[9]、拟静态挠度法[10]评定桥梁桥承载力,取得了良好的效果。通过荷载试验评定桥梁承载力[11-12]也比较多,荷载试验获得的桥梁承载力通常低于桥梁的破坏承载力,该方法虽然可靠性较高,但造价较高,在实际应用时受到一定的限制。为了评估某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后的安全性,本文采用现场检测、理论分析和荷载试验相结合的方法,以人工调查和常规测量工具相结合的方法对旧桥的病害进行检测,采用ANSYS有限元软件建立旧桥的三维精细化实体有限元模型,对旧桥的技术状况进行计算评定,并开展旧桥的荷载试验进行验证,可为国内同类型桥梁的检测与评估提供借鉴和参考。

1 桥梁构造及病害概况

1.1 桥梁构造简介

某旧桥全长61 m,桥面为分离式结构,设计荷载为汽-超20、挂-120;上部结构为3×16 m钢筋混凝土空心板,每幅由11块30#混凝土的空心板组成,每幅净宽11.25 m。桥梁纵断面见图1。

1.2 梁底病害概况

采用人工调查和常规测量工具相结合的方法,针对桥梁的桥面系、空心板、墩台与基础等进行调查,结果表明三大部分均存在不同程度的病害,其中对结构承载力和安全性影响比较大的是梁的底板开裂,梁底裂缝分布见图2,其中视图观测方向自下向上。

由图2旧桥的裂缝开裂和分布情况统计分析可知,裂缝宽度在0.04～0.16 mm,裂缝分布范围比较广,尤其是跨中部位,削弱了截面的抗力,威胁旧桥的耐久性。

2 旧桥安全性的理论分析

2.1 旧桥技术状况评定

基于旧桥现场检测结果,获得旧桥的实际技术参数,结合公路桥梁技术状况评定标准,对旧桥进行评定,具体评定结果见表1。

表1 旧桥各部件技术状况评定结果表

桥梁总体技术状况得分Dr计算公式如下:

(1)

式中:Ri——评定标度;

Wi——权重。

在获得桥梁各构件技术状况评定结果的基础上,根据式(1)计算总体技术状况得分Dr,可得Dr为56.8,属于三类桥。

2.2 旧桥承载力验算

基于桥梁的设计图纸和实际测量尺寸,采用ANSYS有限元软件建立该旧桥的三维空间精细化实体有限元模型,单元类型采用Solid45,C30混凝土弹性模量3×1010Pa,泊松比为0.2,单元数为12 504,节点数为18 833,边界条件采用简支。其有限元模型三维视图见图3。

图3 有限元模型三维视图

基于建立的三维有限元模型,针对旧桥开展承载力分析。取冲击系数为1.209,重要性系数取1.0。

(1)内力分析。由数值分析结果可知公路-Ⅰ级荷载作用下,旧桥的最不利跨中弯矩为1 114.158 kN·m,梁端剪力为326.875 kN。根据桥梁的构造和材料参数,计算可得跨中弯矩承载力为1 113.7 kN·m,梁端剪力为636.61 kN。由此可知,桥梁的跨中弯矩不满足公路-Ⅰ级荷载要求,梁端剪力满足要求。

(2)裂缝验算。综合考虑恒载、汽车活载及各自分项系数,计算可得短期和长期效应的组合值分别为681.485 kN·m和565.713 kN·m。

钢筋应力σss和纵向受拉钢筋配筋率ρ的计算分别见式(2)和式(3)。

σss=Ms/0.87Ash0=188.720 N/mm2

(2)

(3)

式中:b——截面宽度(mm);

As——受拉钢筋面积(mm2);

bf——翼缘宽度(mm);

hf——翼缘厚度(mm);

h0——有效高度(mm)。

裂缝宽度Wtk计算见式(4),可知桥梁的裂缝宽度Wtk>0.2 mm,不满足桥梁规范要求。

(4)

式中:C1、C2和C3——系数;

σss——钢筋应力(MPa);

d——钢筋直径(mm);

ρ——效配筋率;

Es——钢筋弹性模量(N/mm2)。

3 旧桥安全性的试验验证

基于旧桥现场检测、技术状况评定和承载力验算,开展旧桥的荷载试验,获取桥梁的静力和动力特性,评估旧桥的安全性。

3.1 试验设计

在旧桥现场检测和理论分析基础上,为了检验旧桥实际承载力,开展静载和动载试验。考虑旧桥的构造和受力特点,选取中跨和边跨的跨中截面和支座截面进行测试。在测试截面布置动静应变和位移测点,桥面布置速度传感器。测点布置见图4。

图4 测点布置示意图

荷载采用公路-Ⅰ级,进行试验布载和数值分析,计算结果表明采用3辆34 t重单轴车可满足加载效率0.95～1.05。

3.2 静力试验结果分析

3.2.1 静应变试验结果分析

各工况荷载作用下,旧桥中跨跨中各测点应力测试及计算值见图5,边跨跨中各测点应力测试及计算值见图6。拉应力为正,压应力为负。

图5 中跨跨中各测点应力测试及计算值曲线图

图6 边跨跨中各测点应力测试及计算值曲线图

对图5和图6进行分析可知:

不同荷载工况作用下,各测点应力测试值与计算值存在一定差别,实测值均小于计算值,最大测试值为3.18 MPa(在2#墩～3#台第3跨),相应最大计算值为3.20 MPa,但全桥只有2根梁应力>3 MPa。这主要是由于有限元计算是将桥梁简化为弹性体分析,而旧桥各跨板底面存在大量裂缝。

恒载应力叠加活荷载应力后,加上恒载应力最大值达7.40 MPa,其他板板底应力在叠加恒载应力后全部都>3.0 MPa,超过混凝土抗拉强度。由于三跨都具有相同几何尺寸、相同刚度及相同荷载作用,对应工况的实测数据基本一致,证明实测数据规律是准确的。卸载后各测点残余应变值均<5με,结构处于弹性工作范围。

3.2.2 静挠度试验结果分析

各工况荷载作用下,测点挠度实测及计算值见图7。测点竖向位移向上为负,向下为正。

图7 各测点静挠度测试及计算结果曲线结果图

由图7分析可知:各工况不利荷载作用下各测点挠度分布规律合理,并与有限元计算结果一致,校验系数<1,最大挠度发生在5#板测点,其值为2.97 mm,小于规范允许值L/600,桥梁整体刚度比较好,横向刚度没有降低。

3.2.3 裂缝开展情况分析

在测试桥梁空心板应变及挠度的同时,对活载作用典型裂缝开展宽度进行测试。在各不利工况作用下,桥梁主桥空心梁底结构裂缝最大开展宽度为0.012 mm,恒载裂缝宽度为0.14 mm,即活载下裂缝的最大宽度为0.152 mm,小于规范容许值,卸载后裂缝恢复恒载宽度,证明桥梁弹性工作状态良好。

综上所述,旧桥的承载力略低于公路-Ⅰ级荷载,且存在一定病害,需加固维修。

3.3 动力试验结果分析

通过1辆34 t车分别以不同速度从桥上驶过,测试旧桥的动力特性。

(1)振动频率测试分析。测得中跨横向和竖向1阶固有频率分别为3.427 Hz和2.944 Hz,中跨竖向在20 km/h、40 km/h和60 km/h跑车工况下,竖向1阶振动频率分别为7.832 Hz、7.822 Hz和7.832 Hz,横向1阶振动频率分别为4.895 Hz、4.907 Hz和4.895 Hz。结合振动功率谱可知,旧桥固有频率与跑车振动主频率虽然接近,但分布在跑车的振动主频率能量很小,不会引起共振。

(2)动应力和动挠度测试分析。旧桥在20 km/h、40 km/h和60 km/h的跑车和刹车工况下的最大拉应力分别为0.233 MPa和0.733 MPa。各工况下最大动位移是3.238 mm,旧桥的刚度满足正常使用要求。

(3)振动速度和冲击系数。旧桥在各种跑车工况下测点最大速度为8.214 mm/s,在刹车、落车的工况下最大速度达到1.274 cm/s。各种跑车工况下最大冲击系数为1.232,振动阻尼比为5.099%,能满足使用条件。

4 结语

围绕某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的安全性分析,以人工调查和常规测量工具相结合的方法对旧桥的病害进行检测,获取了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的分布情况;采用ANSYS有限元软件建立了旧桥的三维精细化实体有限元模型,对旧桥的技术状况进行计算评定,结果表明旧桥的技术状况评分为56.8,属于三类桥,跨中弯矩不满足公路-Ⅰ级荷载要求,梁端剪力满足要求;开展了旧桥的荷载试验,试验结果表明旧桥的承载力略低于公路-Ⅰ级荷载,且存在一定病害,需要进行加固,进一步验证了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后理论分析结果的准确性,可为国内同类型桥梁的检测与评估提供借鉴和参考。