鋼筋混凝土整體式板橋承載力及技術(shù)狀況評定

張俊玲

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

鋼筋混凝土整體式板橋承載力及技術(shù)狀況評定

張俊玲

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

在早期修筑的鋼筋混凝土整體式板橋中，多數(shù)存在混凝土開裂、結(jié)構(gòu)老化等問題。所以，對在役鋼筋混凝土整體式板橋進(jìn)行技術(shù)狀況以及承載力評定顯得尤其重要。以某整體式板橋為工程背景，通過采用有限元軟件Midas Civil 2012建立該橋上部結(jié)構(gòu)空間有限元模型，結(jié)合動靜荷載試驗數(shù)據(jù)對該整體式板橋進(jìn)行了承載力和技術(shù)狀況的評定。并針對該在役橋梁存在的安全隱患提出了加固措施，為類似鋼筋混凝土整體式板橋的檢測及評定提供參考依據(jù)。

整體式板橋； 技術(shù)狀況； 承載力； 評定； 荷載試驗

0 引言

鋼筋混凝土整體式板橋是小跨徑鋼筋混凝土橋梁中使用較為廣泛的橋梁形式，由于整體式板橋自身建筑高度小、外形簡單、施工方便且極易適應(yīng)斜、彎、陡坡等特殊地形的優(yōu)勢而在高等級公路和城市立交橋工程中逐漸得到廣泛應(yīng)用[1]。相比較裝配式橋梁，整體式板橋具有整體性能好、剛度大及受力明確等優(yōu)點。

20世紀(jì)80年代以來，整體式板橋在公路橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用，其在設(shè)計、使用中的一些問題也得到了相關(guān)學(xué)者越來越多的重視[2]。王標(biāo)才[2]對整體式現(xiàn)澆正交板橋與斜交板橋的受力進(jìn)行了對比分析；周建庭[3]等對寬跨比較大的整體式簡支板橋的計算模式進(jìn)行了探討。然而，隨著在役整體式板橋的使用，逐漸出現(xiàn)混凝土開裂、結(jié)構(gòu)耐久性老化以及材料的劣化等諸多問題，使得橋梁的結(jié)構(gòu)承載能力降低。針對如何進(jìn)行在役整體式板橋的承載力評估，進(jìn)而有效防治及養(yǎng)護(hù)在役整體式板橋以便保證橋梁的安全運營是目前亟待研究的一項重要問題。為此，一些專家對此類橋梁老化結(jié)構(gòu)的評估進(jìn)行了探索。原浩祺[4]針對鋼筋混凝土整體式板梁的縱向裂縫進(jìn)行了分析；邵旭東[5]對整體式空心板橋的裂縫進(jìn)行了研究；徐建紅[6]對鋼筋混凝土整體式空心板橋的開裂機(jī)理和性能評估方法進(jìn)行了研究和總結(jié)。

本文以某整體式鋼筋混凝土簡支板橋為研究對象，采用空間有限元軟件Midas Civil 2012建立該整體式板橋上部結(jié)構(gòu)的空間有限元模型，結(jié)合荷載試驗數(shù)據(jù)對該整體式板橋進(jìn)行了承載力和技術(shù)狀況的評定，并針對在役橋梁存在的安全隱患提出了加固措施，為類似鋼筋混凝土整體式板橋的養(yǎng)護(hù)維修提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某鋼筋混凝土整體式板橋分為車行橋與人行橋，兩者分離布置。橋面全寬為凈20.14 m+2×2.5 m人行道，人行道護(hù)欄為鋼護(hù)欄，橋面為瀝青混凝土鋪裝，采用橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)。原上部車行橋為3×13 m鋼筋混凝土簡支整體現(xiàn)澆板橋，板寬20 m，板高0.55 m；后對車行橋進(jìn)行過改造，主梁加高至63 cm，橋面鋪裝層為8 cm防水混凝土+8 cm瀝青混凝土；人行橋為3×13 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)板橋。車行橋橋墩基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，橋墩采用單排五柱式直徑1.0 m的圓形墩柱，墩蓋梁為鋼筋混凝土雙懸臂蓋梁。橋臺采用單排五柱式鋼筋混凝土橋臺，橋墩采用樁柱式橋墩及鋼筋混凝土雙懸臂蓋梁；人行道橋墩采用直徑0.9 m的獨柱鋼墩、雙懸臂鋼蓋梁。該橋在兩側(cè)橋臺處設(shè)有簡易伸縮縫，各墩、臺頂設(shè)置了圓形板式橡膠支座。荷載等級：汽-20，掛-100?，F(xiàn)場橋面整體見圖1。

圖1 橋梁側(cè)立面圖

2 承載力驗算

2.1 計算模型

該橋上部為鋼筋混凝土簡支現(xiàn)澆整體式板梁，將上部整體式板梁分割為20個1 m寬的板條后，先按剛接板梁法計算板的跨中荷載橫向分布系數(shù)，支點按杠桿法計算，1/4跨徑至支點間按線性過渡，求出活載作用下不利主梁的荷載橫向分布系數(shù)。然后采用Midas Civil 2012有限元軟件建立單梁模型進(jìn)行計算，經(jīng)計算邊板條受力最不利，故建立邊板條的有限元模型進(jìn)行檢算。邊板條共劃分為26個單元27個節(jié)點，計算模型見圖2。

圖2 邊板條計算模型

2.2 材料參數(shù)

2.2.1 混凝土

主梁及蓋梁結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗及實測結(jié)果，主梁及蓋梁均采用30號混凝土，其主要力學(xué)性能見表1。

表1 混凝土力學(xué)性能表混凝土標(biāo)號彈性模量/MPa容重/(kN·m-3)熱膨脹系數(shù)/℃-1標(biāo)準(zhǔn)值/MPa設(shè)計值/MPaRbaRb1RaR13030000251.00E-05212.117.51.75 注:Rba為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Rb1為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Ra為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;R1為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

2.2.2 普通鋼筋

普通鋼筋采用II級鋼筋和I級鋼筋，鋼筋機(jī)械性能應(yīng)符合(YB171-69)的要求。普通鋼筋力學(xué)性能見表2。

表2 普通鋼筋力學(xué)性能表普通鋼筋彈性模量/MPa容重/(kN·m-3)Ry/MPaRy'/MPaII級鋼筋21000078340340I級鋼筋20000078240240 注:Ry為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值;Ry'為普通鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。

2.3 檢算系數(shù)及承載能力惡化系數(shù)

2.3.1 承載能力惡化系數(shù)

根據(jù)耐久性惡化各項檢測指標(biāo)的檢測結(jié)果，按《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)計算構(gòu)件惡化狀況評定值E，計算結(jié)果見表3。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)，在干濕交替、凍、無侵蝕介質(zhì)條件下，當(dāng)構(gòu)件惡化狀況評定值E=1.24時，線性內(nèi)插得承載能力惡化系數(shù)ξe=0.054 8。

表3 承載能力惡化狀況評定值E計算結(jié)果評定內(nèi)容權(quán)重評定標(biāo)準(zhǔn)值評定得分混凝土碳化狀況0.2010.20混凝土強(qiáng)度0.0510.05鋼筋保護(hù)層厚度0.1230.36鋼筋銹蝕電位0.1110.11氯離子含量0.1510.15混凝土電阻率0.0510.05缺損狀況0.3210.32構(gòu)件惡化狀況評定值E1.24

2.3.2 檢算系數(shù)Z1

根據(jù)《公路工程承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)，承載能力檢算系數(shù)評定值D計算結(jié)果見表4。

表4 承載能力檢算系數(shù)評定值D計算結(jié)果評定內(nèi)容權(quán)重評定標(biāo)準(zhǔn)值評定得分缺損狀況0.410.4材質(zhì)強(qiáng)度0.310.3自振頻率0.320.6承載能力檢算系數(shù)Z1評定值D1.3

根據(jù)《公路工程承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)，由承載能力檢算系數(shù)評定值D線性內(nèi)插得Z1=1.135，偏安全考慮，Z1取1.0。

2.3.3 檢算系數(shù)Z2

根據(jù)《公路工程承載能力檢測評定規(guī)程》和荷載試驗結(jié)果知，該橋上部結(jié)構(gòu)主要測點最大校驗系數(shù)為0.80，線性內(nèi)插得Z2= 1.05，偏安全考慮，檢算系數(shù)取Z2=1.0 。

2.4 荷載效應(yīng)值計算

汽車荷載：按汽-20考慮，沖擊系數(shù)為0.246。汽車荷載作用下，3車道偏載最不利，最不利板條為1#邊板條，跨中橫向分布系數(shù)為0.251，支點為0.535。

掛車：按掛-100考慮。掛車作用下，偏載最不利，最不利板條為1#邊板條，跨中橫向分布系數(shù)為0.129，支點為0.235。

主梁重量：一塊邊板條重170.1 kN，一塊中板條重165.5 kN。

二期鋪裝：瀝青混凝土鋪裝，全橋每延米重75.33 kN。按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG 021-89)進(jìn)行荷載組合，本次檢算只涉及恒載、汽車荷載和掛車荷載，故只考慮組合I和組合III。

2.5 承載力評定

2.5.1 主梁抗彎承載力驗算

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85)進(jìn)行抗彎承載能力的驗算。經(jīng)過計算，最不利邊板條跨中斷面最大彎矩組合值為730.5 kN·m?？紤]到檢算系數(shù)為Z2=1.0，承載能力惡化系數(shù)為0.054 8，計入修正后彎矩抗力值為1 266.6 kN·m，可知上部現(xiàn)澆整體式板梁跨中抗彎極限承載能力滿足汽車-20、掛-100級荷載的檢算要求。

2.5.2 主梁撓度驗算

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的撓度，可根據(jù)給定的構(gòu)件剛度，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計算[7，8]。

經(jīng)過計算，構(gòu)件在活載作用下，邊板條跨中斷面在汽車荷載作用下產(chǎn)生的撓度值為9.72 mm，小于限值21.0 mm;在掛車荷載作用下產(chǎn)生的撓度值為13.02 mm,小于限值25.2 mm。上部現(xiàn)澆整體式板梁的豎向剛度滿足規(guī)范要求。

2.5.3 主梁裂縫寬度驗算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85)規(guī)定，在荷載組合I作用下，裂縫寬度不應(yīng)超過0.2 mm，在荷載組合II或組合III作用下，不應(yīng)超過0.25 mm。

根據(jù)規(guī)范，運用T形截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件其最大裂縫寬度計算公式，得出荷載組合I作用下，邊板條跨中斷面的最大裂縫寬度為0.09 mm，小于限值0.2 mm；組合III作用下，邊板條跨中斷面的最大裂縫寬度為0.11 mm，小于限值0.25 mm，表明該橋上部現(xiàn)澆整體板跨中斷面裂縫寬度均滿足汽車-20級、掛車-100級荷載的檢算要求。

3 技術(shù)狀況評定

3.1 外觀檢查

混凝土強(qiáng)度的測試應(yīng)在結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件或主要受力部位布置測區(qū)。因此，選取1孔整體板、1個橋臺蓋梁、1個橋墩蓋梁及3個橋墩墩柱作為混凝土強(qiáng)度的測試對象。由規(guī)范推定該橋測區(qū)混凝土強(qiáng)度均質(zhì)系數(shù)均大于1.00，說明混凝土強(qiáng)度狀態(tài)良好。

車行橋各孔主梁底板橫橋向存在多條縱向裂縫，縱向裂縫寬度在0.18～0.48 mm 。1#、2#墩頂橋面連續(xù)處普遍存在沿墩蓋梁方向的混凝土通長裂縫，裂縫寬在1.0～3.0 mm。兩側(cè)臺頂簡易縫處瀝青混凝土橫向通長開裂，縫寬在1～2 mm，橋面兩側(cè)欄桿約10%的面積表面防腐涂層起皮、脫落[9]。根據(jù)橋梁的檢測情況，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)對該橋進(jìn)行技術(shù)狀況等級評定，本橋最終評定為三類。

3.2 靜載試驗

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)有技術(shù)檢查的實際情況，選擇3#孔主梁及2#墩蓋梁作為試驗對象。本次試驗3個加載工況，即3#孔主梁跨中控制斷面、2#墩蓋梁最大正彎矩及最大負(fù)彎矩控制斷面。各工況的加載效率在0.95～1.05之間，均滿足規(guī)范的規(guī)定范圍[10]。

3.2.1 撓度分析

由圖3可知，在工況1試驗荷載作用下，試驗孔受力最不利板條的撓度校驗系數(shù)為0.80，小于1.0，說明主梁豎向剛度滿足設(shè)計及使用要求。各控制斷面撓度的相對殘余變形最大值為5.97%，小于20%，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

圖3 主梁理論與實測主梁撓度對比圖

在工況2試驗荷載作用下，2#蓋梁1#、2#墩柱間跨中斷面撓度的試驗值為0.41 mm，理論計算的fd=0.478 mm，撓度校驗系數(shù)η=0.86，小于1.0。蓋梁豎向剛度滿足正常使用要求。

3.2.2 應(yīng)力分析

在工況1試驗荷載作用下，測量3#孔1#～4#梁跨中斷面處，主梁底緣混凝土應(yīng)變值。將應(yīng)變乘以混凝土彈性模量，即得相應(yīng)測點混凝土的實測應(yīng)力值，控制斷面實測應(yīng)力及應(yīng)力校驗系數(shù)見表5。

表5 主梁最大正彎矩控制斷面應(yīng)力校驗系數(shù)應(yīng)變測試位置底緣混凝土實測值/MPa計算值/MPa校驗系數(shù)1#測點3.805.580.682#測點3.735.110.733#測點2.664.800.554#測點3.174.490.71

表5數(shù)據(jù)表明，在工況1荷載作用下，試驗孔主梁1#～4#測點底緣應(yīng)力最大校驗系數(shù)為0.73，小于1.0，說明主梁強(qiáng)度滿足正常使用及設(shè)計要求。

在工況2試驗荷載作用下，2#蓋梁1#-2#柱間蓋梁跨中斷面、2#墩頂負(fù)彎矩斷面的實測混凝土應(yīng)變沿蓋梁高度呈線性分布，滿足平面變形假定。根據(jù)最佳試驗曲線，將應(yīng)變乘以混凝土彈性模量，即得到相應(yīng)測點的混凝土應(yīng)力，控制斷面實測應(yīng)力及應(yīng)力校驗系數(shù)見表6。

表6 2#蓋梁應(yīng)力校驗系數(shù)位置上緣混凝土下緣混凝土實測值計算值校驗系數(shù)實測值計算值校驗系數(shù)2#蓋梁1#-2#柱頂跨中斷面-0.37-0.450.810.430.450.952#蓋梁2#柱頂最大負(fù)彎矩斷面0.420.450.93-0.40-0.450.88

表6數(shù)據(jù)表明，2#蓋梁跨中正彎矩混凝土應(yīng)力最大校驗系數(shù)為0.95，2#墩頂負(fù)彎矩混凝土應(yīng)力最大校驗系數(shù)為0.93，均小于1.0。蓋梁跨中及墩頂強(qiáng)度滿足正常使用要求。

3.3 動載試驗

考慮到橋梁的現(xiàn)場情況及結(jié)構(gòu)的受力方式，本次動載試驗主要針對3#孔(3#臺-2#墩)主梁跨中斷面。在靠近東側(cè)人行道內(nèi)側(cè)邊緣10 cm布置了1個動撓度計；動撓度計外側(cè)10 cm布置1個豎向速度計；在主梁跨中斷面處東側(cè)底板邊緣布置了1個動應(yīng)變計測點。

對采集到的時間歷程波形進(jìn)行時域及頻域分析，得到3#孔主梁跨中斷面的一階豎向固有頻率，實橋振動頻率試驗值為6.64 Hz，大于理論計算值6.47 Hz。3#孔主梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為ξ=0.054，在合理阻尼比范圍內(nèi)，對減少結(jié)構(gòu)振動是有利的；各車速下實測3#孔主梁跨中斷面的沖擊系數(shù)最大值為1.296，小于按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)使用基頻計算沖擊系數(shù)1+μ=1.314 ，說明橋面平整，行車平順。

3.4 加固措施

結(jié)合橋梁外觀檢測和荷載試驗，針對該橋的技術(shù)狀況評定結(jié)果，對該橋提出加固方案和維修措施。具體的加固措施如下：

1) 對1#、2#墩頂橋面連續(xù)處混凝土通長裂縫進(jìn)行灌縫處理；

2) 橋臺處設(shè)置正規(guī)伸縮縫；

3) 對鐵藝欄桿進(jìn)行防腐處理；

4) 采用粘貼鋼板條法對整體板進(jìn)行橫向抗彎加固。

4 結(jié)論

通過對該橋現(xiàn)場檢測、荷載試驗及承載力評定，可得出結(jié)論：

1) 對該鋼筋砼整體板橋建立空間有限元模型并進(jìn)行荷載組合，可知，在計入檢算系數(shù)及承載能力惡化系數(shù)的情況下，主梁縱向抗彎極限承載能力、豎向剛度及受彎裂縫寬度均滿足汽-20，掛-100級荷載的使用和檢算要求，但橫向抗彎承載能力不足，橫向受彎裂縫寬度超限。

2) 通過外觀檢測和荷載試驗可知，該橋梁技術(shù)狀況等級評定結(jié)果為三類橋。在設(shè)計荷載作用下局部構(gòu)件于非安全狀態(tài)，建議對該橋及時進(jìn)行加固維修即采用粘貼鋼板條法對整體板進(jìn)行橫向抗彎加固。

本文研究內(nèi)容是針對鋼筋混凝土整體板橋承載力評定展開的，可為類似橋梁的技術(shù)狀況和承載力評定提供參考。

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2016-11-11

張俊玲( 1984-) ，女，工程師，研究方向: 橋梁與公路工程。

1008-844X(2017)01-0132-05

U 448.21+2

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