汪　鋒，梁清宇，張　劍，朱金華，周儲(chǔ)偉，4

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；4.機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

某預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁的安全性評估研究*

汪鋒1，梁清宇2，張劍3，朱金華3，周儲(chǔ)偉3，4

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；4.機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

摘要：對現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評估問題日益受到研究者的關(guān)注，如何在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件允許的情況下，合理評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，避免災(zāi)害事故的發(fā)生，這是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，利用修正系數(shù)法，即混凝土強(qiáng)度時(shí)變修正系數(shù)、鋼筋強(qiáng)度修正系數(shù)、截面幾何尺寸修正系數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度修正系數(shù)，來反映橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有實(shí)際狀態(tài)，對某預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁橋進(jìn)行安全性評估研究。結(jié)果表明，該梁橋的抗彎承載力評估系數(shù)和抗剪承載力評估系數(shù)均>1，且其抗彎承載力折減系數(shù)、抗剪承載力折減系數(shù)和剛度折減系數(shù)均>0.9，該橋使用功能良好且滿足安全性要求。提出的方法可供其余類型的板梁結(jié)構(gòu)受力分析和安全性評估作為參考。

關(guān)鍵詞：安全性；預(yù)應(yīng)力；修正系數(shù)；多T梁

自20世紀(jì)80年代以來，歐洲、美國和日本等發(fā)達(dá)國家專家學(xué)者對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評估日益重視[1]。美國和英國橋梁結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)維修、鑒定與加固改造方面，并取得了長足發(fā)展。美國、英國和加拿大先后頒布了基于極限狀態(tài)原理和設(shè)計(jì)規(guī)范的橋梁評估標(biāo)準(zhǔn)或文件[2]。目前，在世界范圍內(nèi)對現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評估問題已日益突出，如何在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件允許的情況下，合理評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性并預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的行為，避免災(zāi)害事故的發(fā)生，是當(dāng)前工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。服役期的橋梁具體養(yǎng)護(hù)和維修策略，通常需要通過橋梁結(jié)構(gòu)檢測和安全性評估來確定[3]。正確評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài)和安全性并預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)行為，鑒定和發(fā)現(xiàn)橋梁存在的危險(xiǎn)隱患，這些對采取恰當(dāng)?shù)木S修和加固技術(shù)措施，避免發(fā)生災(zāi)難性安全事故及生命財(cái)產(chǎn)的損失，延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命是非常必要的[4]。通過對現(xiàn)役橋梁的檢測和評估，確認(rèn)橋梁的實(shí)際狀態(tài)和現(xiàn)有極限承載力，及時(shí)為橋梁管理和維修加固提供科學(xué)依據(jù)。

本文結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，利用修正系數(shù)法反映橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有實(shí)際狀態(tài)，對某預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁進(jìn)行安全性評估研究。

1材料修正系數(shù)

1.1混凝土強(qiáng)度時(shí)變修正系數(shù)

使用多年后的混凝土結(jié)構(gòu)其強(qiáng)度仍然服從正態(tài)分布，只是強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差是服役時(shí)間的函數(shù)。通過線性回歸方法可以推導(dǎo)得到現(xiàn)時(shí)混凝土強(qiáng)度與混凝土設(shè)計(jì)值的關(guān)系式：

fcd,t(t)=ζcfcd

(1)

(2)

式中，fcd,t(t)和fcd分別是現(xiàn)時(shí)混凝土強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ζc是混凝土強(qiáng)度時(shí)變修正系數(shù)；η(t)和ξ(t)分別是混凝土強(qiáng)度平均值隨時(shí)間變化的系數(shù)和混凝土標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間變化的系數(shù)，它們均為服役時(shí)間的函數(shù)；δf0是混凝土強(qiáng)度變異系數(shù)。

在橋梁安全性綜合評估方法中，為獲得更加精確的現(xiàn)時(shí)混凝土強(qiáng)度，直接采用回彈法檢測得到的混凝土強(qiáng)度推算值。

1.2鋼筋強(qiáng)度修正系數(shù)

對于鋼筋材料來說，在使用過程中的最大影響因素為銹蝕。鋼筋銹蝕會(huì)引起鋼筋截面尺寸的減小，從而降低鋼筋所能承受的拉力。如果銹蝕是均勻的，鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度不會(huì)降低；但實(shí)際上鋼筋的銹蝕一般是不均勻的，在鋼筋銹蝕處易形成應(yīng)力集中，使鋼筋銹蝕處的應(yīng)力提前達(dá)到鋼材的屈服應(yīng)力，從而降低了鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度?？箯澘v筋和抗剪箍筋的計(jì)算公式如下：

(3)

fsvd,t=(1-1.085δsv)fsvd=ζsvfsvd

(4)

2截面幾何尺寸修正系數(shù)

2.1混凝土截面幾何尺寸修正系數(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)截面幾何尺寸修正系數(shù)是對混凝土使用多年后結(jié)構(gòu)局部截面尺寸由于各種因素影響導(dǎo)致減小或破損的修正。主要考慮受壓區(qū)混凝土由于碳化、鋼筋銹蝕導(dǎo)致截面開裂等對幾何尺寸損傷的影響?？刹捎萌缦鹿剑?/p>

ht=h-αc1

bt=b-αc2-αc3

(5)

式中，ht和bt分別是截面損傷后的高度和寬度；h和b分別是原截面的高度和寬度；c1、c2和c3分別是截面高度和2個(gè)寬度方向的保護(hù)層厚度；α是保護(hù)層幾何損傷系數(shù)，其值和縱向裂縫寬度有關(guān)。

2.2鋼筋截面面積修正系數(shù)

鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋截面面積減小，銹蝕后的抗彎縱筋、抗剪箍筋面積可以分別表示為：

As,t=(1-δs)As=ζsaAs

(6)

Asv,t=(1-δsv)Asv=ζsvaAsv

(7)

3鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)

鋼筋銹蝕會(huì)引起粘結(jié)力下降，從而影響鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力。而鋼筋銹蝕對鋼筋和混凝土共同工作的影響機(jī)理比較復(fù)雜，目前只能通過協(xié)同工作系數(shù)來反映鋼筋與混凝土的協(xié)同工作程度。鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)可表示為：

(8)

式中，ksci是第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù)；w是鋼筋銹蝕裂縫寬度；wa是粘結(jié)力開始退化時(shí)，鋼筋銹蝕裂縫寬度；wb是粘結(jié)力完全喪失時(shí)，鋼筋銹蝕裂縫寬；ksci,min是第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù)最小值；α是粘結(jié)力退化系數(shù)。

4結(jié)構(gòu)剛度修正系數(shù)

結(jié)構(gòu)剛度修正系數(shù)的表達(dá)式為：

Bt=ζBBs,t

(9)

(10)

式中，Bt是等效剛度修正系數(shù)修正后的計(jì)算剛度；ζB是等效剛度修正系數(shù)；Bs,t是結(jié)構(gòu)損傷后的現(xiàn)有實(shí)際等效截面剛度；δs抗彎鋼筋銹蝕率；Ms是控制截面計(jì)算彎矩；Mcr是控制截面開裂彎矩。

5算例分析

圖1　預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁橋斷面圖

某預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁橋的全長為416.44 m。本文針對20 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁跨進(jìn)行安全性評估分析。橋?qū)?單幅)13 m，行車道寬(單幅)10.75 m，由6片T梁組成。單片T梁長20 m，翼板寬1.6 m，梁高1.4 m，腹板寬0.18 m，馬蹄寬0.40 m。橋梁橫斷面如圖1所示。對該橋的主梁進(jìn)行外觀檢查，測定其現(xiàn)有混凝土強(qiáng)度、碳化深度以及鋼筋銹蝕率，結(jié)果見表1。由于該預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁橋?yàn)楹喼Я簶?，分別對邊梁的跨中截面進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)該橋設(shè)計(jì)信息輸入設(shè)計(jì)信息和車道荷載選項(xiàng)卡；根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果輸入技術(shù)狀況選項(xiàng)卡；根據(jù)控制截面配筋情況輸入驗(yàn)算截面選項(xiàng)卡并模擬靜載試驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表1　預(yù)應(yīng)力混凝土多T梁橋現(xiàn)場檢測結(jié)果

表2　控制截面計(jì)算結(jié)果

表3　控制截面評估系數(shù)

由表2和表3的結(jié)果可知，該梁橋的抗彎、抗剪承載力評估系數(shù)均>1，且其抗彎承載力折減系數(shù)、抗剪承載力折減系數(shù)以及剛度折減系數(shù)均>0.9且接近于1，因此該橋滿足安全性要求。

6結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)為保證其正常安全的運(yùn)營，應(yīng)滿足規(guī)范中承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，因此，橋梁安全性綜合評估至關(guān)重要。本文結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，利用修正系數(shù)法(混凝土強(qiáng)度時(shí)變修正系數(shù)、鋼筋強(qiáng)度修正系數(shù)、截面幾何尺寸修正系數(shù)和結(jié)構(gòu)剛度修正系數(shù))來確定橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有實(shí)際狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性評估研究，結(jié)果表明該橋滿足安全性要求。本文提出的方法可供其余類型的板梁結(jié)構(gòu)安全性評估參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 盛興旺, 曾慶元. 斜交箱梁的板梁段有限元法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2004, 125(3): 64-68.

[2] 鐘新谷, 馬平, 曾慶元. 多室箱形梁非線性有限元分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1999, 32(6): 32-39.

[3] 段海娟, 張其林. 鋼筋混凝土曲線箱梁非線性分析的有限段元法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 31(3): 282-286.

[4] 張宇峰. 滬寧高速公路擴(kuò)建工程橋梁極限狀態(tài)實(shí)橋試驗(yàn)研究試驗(yàn)工作總結(jié)會(huì)匯報(bào)材料[R]. 南京: 江蘇省交通科學(xué)研究院, 2006.

* 江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130787)

南航青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2014003)

機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(MCMS-0213G01)

江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司資助項(xiàng)目(GCJS2014-37)

浙江省水利廳科技項(xiàng)目(RC1445)

責(zé)任編輯鄭練

Research on Safety Evaluation of a Prestressed Concrete Multi-T Girder Bridge

WANG Feng1, LIANG Qingyu2, ZHANG Jian3, ZHU Jinhua3, ZHOU Chuwei3,4

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,

Hangzhou 310020, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;

4.SKL of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing 210016, China)

Abstract：The safety evaluation problem of the existed bridge structure absorbs more attention from many researchers. If the economic and technology conditions are admitted, how to evaluate the bridge structure correctly and avoid the engineering accident is one of the worth researching problems. Combined with the measured data of the practical bridge structure and using the correctional coefficient method, including the correctional coefficients of concrete strength, reinforced steel strength, sectional dimensions and structural stiffness, study the practical working status of the structure, and the safety evaluation of the prestressed concrete multi-T girder bridge is completed. The results show that the evaluating coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 1. The reducing coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 0.9. The structure satisfies the use safety requirements. The research method can be used as reference for the mechanical analysis and the safety evaluation of other kinds of beam structures.

Key words:safety, prestress, correctional coefficient, multi-T girder

收稿日期：2015-02-02

作者簡介：汪鋒(1976-)，男，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究。

中圖分類號(hào)：U 441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A