库区连续刚构桥检测及承载能力分析

彭　伟，郑建红，吴成忠，陈忆前

(1.重庆安济建设加固工程有限责任公司，重庆401120；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆400067；3.重庆中设工程设计股份有限公司，重庆 400025)

桥梁是交通网的重要组成部分，其工作状况直接影响路网的通畅与安全。连续刚构桥是一种墩梁固结体系，具有桥墩高、跨径大、施工便捷、行车平顺等特点，是跨越江河、湖泊、深沟的首选桥型之一，并在实际工程中得到大量应用[1]。由于混凝土材料抗拉性能较差、容易开裂，以及车辆超载超速、自然环境侵蚀等因素，运营中的桥梁难免有潜在的损伤累积与功能退化，影响结构的承载能力与服役安全，难以满足社会发展对桥梁越来越高的性能要求。文献[2-5]的研究表明，连续刚构桥在运营中经常出现跨中挠度过大、箱梁梁体开裂及钢筋锈蚀等病害，且随主跨跨径L的增加(L<100 m、L=100～160 m、L>160 m)，连续刚构桥的病害有逐渐增多的趋势。为减少结构安全隐患，应及时开展桥梁状态全面检测和承载能力评估。文献[6-8]通过实桥检测调查了跨水域的连续刚构桥梁病害，着重研究了主梁的裂缝机理及下挠病害对结构性能的影响，但涉及连续刚构桥水下构件检查的资料很少。除水质的影响外，造成这种状况的主要原因在于水下构件较隐蔽、不直观可见、难于接近观察，而且水上构件的常用检查手段和方法并不能直接用于水下检测[9]，因此，在桥梁检查中，水下墩柱及基础的检测频次明显不如主梁与桥面系等水上构件，这导致桥梁水下构件可能的病害情况不能及时被发现，可能由此忽略水下墩柱及基础等病害对结构安全运营的影响。鉴于此，本文以三峡库区某预应力混凝土连续刚构桥为例，结合桥位处水质情况，对该桥主体结构及附属构件进行外观和材质状况等检查，并运用水下摄像及人工探摸对主桥水下墩柱及承台病害进行检查，据此进行桥梁现状承载能力评估分析，相关检测与分析过程可为跨水域的连续刚构桥运营与管理维护提供参考。

1　背景工程

三峡库区某预应力混凝土大跨连续刚构桥(图1)是连接当地工业园区与居民区的重要通道，至2017年已竣工通车8 a，桥梁原设计荷载为城-A级、人群荷载3.0 kN/m2。桥梁全长521 m，两岸引桥为3×30 m连续梁桥(左右分幅)，主桥为大跨连续刚构桥，跨径布置为90 m+150 m+90 m；桥面全宽18 m，横向布置为2×1.5 m(人行道)+15 m(车行道)；引桥、主桥的箱梁断面见图2～ 3。引桥下部为矩形实体墩，主桥下部为双薄壁矩形实体墩，墩底均为嵌岩桩基础；两岸均用混凝土重力式桥台，台底为扩大基础。桥面采用沥青混凝土铺装，并在桥台、过渡墩处设置伸缩缝。

由于该桥养护与管理权限调整，需及时了解桥梁既存病害及其对结构使用性能的影响，因此，本研究根据行业有关规范[10-14]与既有管养资料，对该桥进行运营检测及承载能力评估。

2　检测内容及检测方法

根据连续刚构桥共性病害和该桥特点，本次检测分水上、水下两部分进行。

2.1　水上检测

采用常规方法对人工易于接近观察的构件进行检查，包括以下3个方面：

1)桥梁表观缺陷与裂缝检查。主要检查箱梁与墩台有无裂缝、渗水、剥落、露筋等；护坡有无冲刷或缺损；桥面铺装有无坑槽、开裂、车辙及排水情况，伸缩缝有无破损或淤塞；支座老化与偏位情况。裂缝宽度用裂缝观测仪测量，现场用粉笔进行标识；借助桥检车为作业平台检查箱梁外侧腹板与底板。

2)构件材质状况与状态参数检查。按规范抽取主桥和引桥的代表性截面进行混凝土专项检查，主要仪器有数显回弹仪、氯离子含量测定仪、混凝土钢筋检测仪、钢筋锈蚀仪等。分别将实测结构自振频率及代表截面尺寸与理论值或设计值比较。

3)结构线形测量。基于监控网，采用高精度全站仪测量墩顶偏位和桥面高程情况。

2.2　水下检测

现有桥梁定检或巡检中往往忽略对水下墩柱及基础的检查，原因在于水下构件无法直接采用水上构件常用的方法进行检查。鉴于该桥下水质较好，本次采用水下摄像结合人工探摸[9]检查主桥水下墩身有无破损或锈蚀等病害及承台底有无冲刷。

3　检测结果

对桥梁主体结构及其附属构件进行全面检查，可及时掌握桥梁的技术状况，并可通过对桥梁材质状况和状态参数等的检测评定，对桥梁现状承载能力作出客观评价。

3.1　结构表观缺陷与裂缝检查

主桥箱梁内顶板在近边跨端部有少量泛碱纵向裂缝(缝长0.5～3.0 m，见图4)，中跨中腹板有少量泛碱网状裂缝，边跨横隔板有数条短裂缝(缝宽0.06 mm)；引桥2#～4#铰缝部分脱落(总长25 m)。全桥箱梁外底板多处蜂窝、麻面，局部有渗水、泛碱，引桥箱梁翼缘板局部剥落、掉角。

0#台前墙中部有2条竖向裂缝(缝长3.00 m、缝宽0.24 mm，见图5),0#台前墙护坡的填土从左至右斜向开裂，长度10 m。

桥面铺装在0#伸缩缝至园区侧20 m范围内、3#伸缩缝至居民区侧25 m范围内，都多处拥包、车辙、开裂。

3.2　构件材质状况与状态参数检查

采用钢卷尺抽测主桥边跨及中跨部分截面的底板与腹板尺寸，实测尺寸与设计值基本吻合。经脉动法实测(fmi)、Midas软件建模计算(fdi)，主桥第1阶自振频率分别为1.43、0.87 Hz。fmi/fdi>1.1，表明试验桥跨结构实测自振特性正常，均符合JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》(以下简称《评定规程》)主桥自振频率评定标度为1的要求。

分别在主桥、引桥及墩台选取代表性测区。结果表明，受检构件的混凝土强度、碳化深度、钢筋锈蚀电位与保护层厚度、氯离子含量等参数状态良好，均符合《评定规程》评定标度1的要求。

3.3　桥梁线形测量

该桥未设置测量控制网及墩顶偏位监测点，在补设相应监控点后，按工程测量要求[15]进行线形测量(气温14 ℃)。以0#伸缩缝为起点，沿桥面左右幅布置2条测线共58个高程测点。自定义基准点高程为100 m，主桥桥面实测线形见图6。从图6可见，主桥桥面线形较平顺，经与设计线形比较，跨中约有3 cm的预拱度。

3.4　水下墩柱及承台检查

在完成设备调试与安全交底等准备后，根据天气情况先在桥墩附近水域进行检查，条件具备后进行水下摄像。结果表明，4#、5#墩的承台分别露出河床约3.7、1.3 m，5#墩墩身在水深7.8、10.6 m处有钢筋锈蚀(见图7、图8)；承台周围有施工临时结构及石块堆积，未见承台破损、露筋及冲刷病害。

4　桥梁技术状况评估

根据第3节检测结果，按照JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》[12]评定病害标度与扣分项，从构件、部件逐级向上打分评定。主桥上部结构、下部结构、桥面系评分分别为81.3、97.3、83.8，引桥上部结构、下部结构、桥面系评分分别为92.2、89.5、79.8，主桥、引桥技术状况评分别为88.2、88.7，全桥技术状况等级为2类，表明结构有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。

5　主桥检算与承载能力评估

由于主桥为跨径150 m的大跨刚构桥，其承载能力对当地工业园区交通有直接影响，故结合检测结果修正主桥的结构抗力与作用效应，以此评估主桥现役状态下的承载能力。

5.1　建模

基于Midas软件Civil模块，采用梁单元将主桥箱梁按施工顺序进行离散，并在墩梁固结区适当加密单元数，墩底边界条件全部考虑为固结。主桥共离散为131个单元，136个节点，主桥有限元模型见图9，主梁与桥墩材料参数取值见表1。

表1　主桥材料参数取值

5.2　检算内容

在检算分析中考虑恒载、活载、温度作用，并计入收缩徐变及汽车冲击作用的影响，活载的计算荷载为城市-A级，验算荷载为公路-I级，人群荷载为3.0 kN/m2。检算评估过程主要依据《评定规程》关于配筋混凝土桥梁的有关规定。

5.2.1承载能力极限状态

预应力混凝土桥梁的承载能力极限状态主要进行主梁正截面抗弯、斜截面抗剪承载能力检算，根据检测结果，按照式(1)进行计算评定：

γ0S≤R(fd,ξc,adc,ξsads)Z1(1-ξe)。

(1)

式(1)中，该桥结构重要性系数γ0=1.1，S、R(·)为荷载效应、抗力效应函数，fd为材料强度设计值；adc、ads为构件混凝土、钢筋几何参数值。根据第3节检测结果，按《评定规程》确定各检测指标的评定标度与构件权重后，确定承载能力检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe、结构截面折减系数ξc、钢筋截面折减系数ξs的取值。

根据调查，该桥通行车辆荷载与标准车辆荷载无明显差异，故无需对活载进行修正。参考JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[16]的荷载基本组合，建立结构承载能力检算的如下荷载组合：

组合1(最大正弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.8×人群荷载]，

组合2(最大负弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.8×人群荷载]，

组合3(最大正弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.7×人群荷载+0.7×1.4×升温]，

组合4(最大负弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.7×人群荷载+0.7×1.4×升温]，

组合5(最大正弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.7×人群荷载+0.7×1.4×降温]，

组合6(最大负弯)：1.1× [γGi×恒载+1.4×汽车荷载+1.4×0.7×人群荷载+0.7×1.4×降温]。

组合中，永久作用效应的分项系数γGi=1.2(对结构承载能力不利)、1.0(对结构承载能力有利)。

5.2.2正常使用极限状态

预应力混凝土桥梁的正常使用极限状态的检算和评定，按现行公路桥涵设计和养护规范及检测结果，主要进行主梁正截面抗裂、斜截面抗裂及主梁挠度的检算和评定。

5.2.3构件应力

构件应力检算主要计算正常使用阶段的主梁混凝土最大压应力及其是否满足评定要求。

5.3　检算结果分析

5.3.1承载能力极限状态

在主梁正截面抗弯承载能力检算中，按照连续刚构桥受力特点，选取中跨最大正弯矩截面、边跨最大正弯矩截面、墩顶最大负弯矩截面作为关心截面。参考JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[17](下文简称《公预规》)对箱型截面受弯构件的计算规定，在各荷载组合作用下，关心截面的抗弯抗效比(结构抗力Mu/作用效应γ0Md)均大于1.0。由图10可见，主梁正截面抗弯承载能力满足式(1)的评定要求。

在主梁斜截面抗剪承载能力检算中，以边跨、中跨主梁各施工节段为基本单元，按照《公预规》对箱型截面受弯构件的计算规定，分别对各单元斜截面抗剪承载力进行检算。计算结果表明，边跨、中跨主梁各单元斜截面抗剪抗效比(结构抗力Vu/作用效应γ0Vd)最小值分别为1.55、1.89，因此，主梁斜截面抗剪承载能力满足式(1)的评定要求。

5.3.2正常使用极限状态

对于全预应力混凝土分段浇筑构件，《公预规》规定在作用短期效应组合下，截面抗裂验算应分别满足下列要求：正截面σst-0.80σpc≤0，斜截面σtp≤0.4ftk。其中，σst、σpc、σtp、ftk分别为作用短期效应组合下的构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力、扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力、作用短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力、混凝土抗拉强度标准值。

经计算，在作用短期效应组合下，主桥主梁除两端外，各单元上、下缘均表现为压应力，满足规范全预应力混凝土构件抗裂验算要求。其中，边跨箱梁顶缘、底缘压应力最小储备分别为2.07、2.74 MPa，中跨箱梁顶缘、底缘压应力最小储备为3.03、2.73 MPa；主桥边跨主梁各单元斜截面σtp=0.13～0.91 MPa，中跨主梁各单元斜截面σtp=0.24～0.94 MPa，均小于评定值1.19 MPa，具体见图11所示。可见主梁斜截面抗裂检算满足评定要求。

根据《公预规》的规定，在消除结构自重的长期挠度后，主梁最大挠度不应超过计算跨径的L/600，以中跨跨中作为验算部位，在正常使用极限状态下，中跨跨中挠度fd1=45.4 mm<282.5 mm(评定值)，挠度满足评定要求。

5.3.3构件应力

根据《公预规》，对于全预应力混凝土构件，受压区混凝土最大压应力应满足σkc+σpt≤fck，其中，σkc、σpt分别为混凝土法向压应力及由预加力产生的混凝土法向拉应力，fck为混凝土抗压强度标准值。经计算表明，主梁上、下缘最大压应力分别为10.72、10.05 MPa，均小于评定值19.25 MPa，构件应力满足评定要求。

5.3.4承载能力评估结果

通过对主桥进行上述承载能力极限状态、正常使用极限状态、构件应力的检算分析与评定，结果表明该桥主桥现状条件下的承载能力和正常使用性能满足城-A级、人群荷载3.0 kN/m2与公路-I级、人群荷载3.0 kN/m2的使用要求。

6　结论

通过对三峡库区某预应力混凝土连续刚构桥的全面检测与现状承载能力评估，可得如下结论：

1)该桥综合技术状况评定结果为2类，但桥面系有3类构件，桥面铺装在路线弯道的起始点附近有严重拥包、车辙、开裂，应结合JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》及时处治桥面铺装病害与0#台前墙裂缝，并加强后期观测。

2)根据检测结果进行检算与评定，主桥现状条件下的承载能力和正常使用性能满足城-A级、人群荷载3.0 kN/m2与公路-I级、人群荷载3.0 kN/m2的使用要求。

3)检测发现主桥5#墩水下墩身有钢筋锈蚀现象，影响了结构技术状况评估，并一定程度上造成了结构安全隐患。

建议重视跨水域桥梁水下墩柱及基础的检测，并保证一定的频次，以及时发现桥梁水下构件可能的病害情况。本文所用人工水下摄像能直观反映桥梁水下墩柱与承台等构件的病害，但对水下能见度低、人工潜水受限等条件下的应用还需进一步研究。

[参考文献]

[1]曾晓茜.PC连续刚构桥病害检测及裂缝成因分析[D].成都:西南交通大学,2013.

[2]唐利科,贾毅,纪云涛,等.高墩大跨连续刚构桥的荷载试验[J].铁道建筑,2017(7):43-46.

[3]杨俊,曹一山.大跨连续刚构桥底板纵向裂缝成因分析与处治措施[J].公路,2017(8):156-158.

[4]陈祥方,罗忠祥,谢忠,等.在役预应力混凝土连续刚构桥梁承载能力评定[J].公路交通科技(应用技术版),2017(7):293-294.

[5]陈常明.大跨度连续刚构桥检测评估与加固处治技术研究[D].北京:清华大学,2014.

[6]冯振兴,曾晓茜.大跨度连续刚构桥损伤模拟及加固设计[J].中国水运,2014,14(8):238-239.

[7]马健.三门峡黄河公路大桥的主桥加固[J].公路,2004(6):62-64.

[8]范永强.连续刚构桥梁外观检查及无损检测[J].科技信息,2009(17):309-310.

[9]胡国喜,缪品柏.桥梁水下基础检测技术应用前景[J].公路交通技术,2012(2)：71-73.

[10]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/T J21—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.

[11]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵养护规范：JTG H11—2004[S].北京：人民交通出版社,2004..

[12]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁技术状况评定标准：JTG/T H21—2011[S].北京:人民交通出版社,2011..

[13]中华人民共和国住房与城乡建设部.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程：JGJ/T 23—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[14]中华人民共和国住房与城乡建设部.混凝土中钢筋检测技术规程：JGJ/T 152—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[15]中华人民共和国住房与城乡建设部.工程测量规范：GB 50026—2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[16]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社,2015.

[17]中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62—2004[S].北京：人民交通出版社,2004.