钢筋混凝土桥梁承载能力评定的应用与浅析

周晓杰

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳110166）

近年来我国交通事业逐步由建设期转变为养护期，现阶段很多公路在役桥梁修建年代久远、设计荷载等级较低，并且随着服役时间的推移，桥梁结构病害逐渐增加。为保证在役桥梁结构的安全性，除对桥梁进行外观病害进行调查外，还应对桥梁材质状况与状态参数检测评定，并最终对桥梁结构进行承载能力评定，给出桥梁维修、加固还是改建的合理性建议，为养护单位“对症下药”提供重要依据。

我国在2011 年11 月1 日施行《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，原有《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》[（88）公路技字11 号]同时废止。该规程对88 年试行的方法进行全面修订，结合桥梁结构缺损状况、材质强度、钢筋锈蚀、截面损伤等引入分项检算系数对结构极限状态计算进行修正，能够客观评定桥梁结构承载能力。目前，地方公路涉及诸多桥梁结构需要提质升级，在役桥梁结构是否满足现行规范标准，需对其进行承载能力评定。为此，本文以在役桥梁为依托工程，采用该工程实测和理论材质参数，对其在不同荷载等级、不同材质状态条件下进行承载能力评定，对比分析差异。

1 工程概况

依托工程为某省道中一座中桥，建成于1990 年，跨径组合为6×13m，跨径总长为78m，桥梁全长为82.2m，交角为90°。上部结构为钢筋混凝土无翼缘简支空心板，每孔8 片板。板式橡胶支座。下部结构为钢筋混凝土双柱式桥墩，埋置式桥台，基础采用扩大基础。桥面净宽为7.5m，左、右侧各设置0.5m 宽的防撞墙，路桥同宽。桥面铺装为沥青混凝土，2、4 号墩顶各设置1道型钢伸缩缝。设计荷载等级：汽车-20 级、挂车-100。

图1 横向布置图（单位：cm）

2 目的和意义

图2 中板尺寸及主筋横断面图（单位：mm）

通过对在役桥梁外观病害调查，可以了解和掌握桥梁的总体技术状况以及现有的病害状态，并且能够从表观上简单分析病害的产生机理和发展趋势；桥梁技术状况评定，可以直观的表明桥梁总体以及各部件损伤程度；桥梁材质状况和状态参数的检测评定，通过无损检测，可以得知组成桥梁的材质（混凝土、钢筋等）在物理、化学方面的损伤；但归根结底，以上检测评定只能从单方面的去反映桥梁的损伤程度，并不能全面的直观的从数据化方面给出桥梁承载能力是如何的，是否能够承受现有的荷载等级，而不是原有的设计要求，结合以上各方面评定结果引入多项参数，对桥梁结构承载能力进行评定，该项结果会从桥梁承载能力极限状态和正常使用极限状态两类极限状态反映桥梁的安全性，也为养护部门提供准确可靠的理论依据。

3 主要内容

3.1 技术指标

依托工程中采用13m 钢筋混凝土简支无翼缘空心板，以桥梁中板为例，设计荷载等级为汽车-20 级、挂车-100，中板配筋以及截面尺寸如图2、3 所示，具体各项材质计算指标见表1。

3.2 检算系数的确定

3.2.1 承载能力检算系数Z1：结合该桥表观缺损状况、材质强度以及桥梁结构自振频率等的检测评定结果确定。按《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中7.7.1 条进行计算，该桥上部结构评定为4，混凝土强度测试评定为5，自振频率评定为1，故承载能力检算系数评定标度D=3.4，查规范得出承载能力计算系数Z1=0.96。

3.2.2 承载能力恶化系数ξe：考虑了构件缺损状况、钢筋保护层厚度以及混凝土强度和碳化状况等影响因素，并综合环境条件（本桥取干、湿交替，冻，无侵蚀性介质）加以确定，该桥承载能力恶化系数ξe=0.089。

图3 中板主筋、箍筋钢筋构造图（单位：mm）

3.2.3 混凝土截面折减系数ξc：综合考虑材料风化、碳化、物理与化学损伤三项检测指标的评定标度，得出截面损伤的综合评定标度R，最终确定该桥混凝土截面折减系数ξc=0.987。

3.2.4 钢筋截面折减系数ξs：根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中7.7.6 条，该桥空心板沿钢筋出现多条裂缝，且钢筋锈蚀引起混凝土发生层离，故钢筋截面折减系数ξs 取0.98。

3.2.5 活载影响修正系数ξq：通过对该桥交通量计算整理，计算得出交通量影响修正系数、大吨位车辆混入影响修正系数以及轴荷分布影响修正系数，最终得出活载影响修正系数取1.00。具体交通量各项参数见表2。

3.3 工况划分

从设计荷载等级、材质状况以及检算系数三方面，对该桥进行不同计算条件的划分，具体工况见表3。

工况1、3 中系数Z1、ξe 计算时考虑混凝土强度评定标度为4，工况2、4 中混凝土强度按回弹法测试的强度推定值考虑，系数Z1、ξe 计算时考虑混凝土强度评定标度为1。工况2、4 考虑钢筋截面折减，工况1、3 不予考虑。跨中横向分布系数采用铰接板梁法计算，支点附近采用杠杆法计算，冲击系数按实测自振频率计算取0.334，混凝土截面折减系数、活载影响修正系数均按实际计算值考虑，其余参数按表3 中考虑。

3.4 检算结果

计算软件采用桥梁博士V3.6.0，建立平面杆系有限元模型进行计算。按工况1～4 条件分别计算持久状况承载能力极限状态跨中正截面抗弯承载力、距支座中心h/2 处以及箍筋间距变化处斜截面抗剪承载力。具体结果见表4。

表1 空心板各项材质技术指标

表2 交通量统计表

表3 计算工况一览表

4 数据分析与思考

4.1 抗弯承载能力分析

通过表4 和图4 可知：在相同荷载等级条件下，采用直接折减混凝土强度、钢筋截面的参数计算得出的跨中正截面弯矩抗力值远小于只在承载能力检算系数、恶化系数中考虑混凝土强度折减的抗力值，折减34.3%；在不同荷载等级条件下，（公路-Ⅰ级）荷载等级下的跨中截面弯矩效应值较（汽车-20 级、挂车-100）荷载等级下的弯矩效应值大18.7%。

表4 中板承载能力检算表

图4 中板跨中正截面抗弯承载能力对比图

图5 中板支点h/2 处斜截面抗剪承载能力对比图

因此在空心板跨中正截面抗弯承载能力检算时，若实际空心板砼强度低于设计值、且钢筋截面有折减时，应采用实际的混凝土强度和折减后的钢筋几何参数进行检算，此时结构计算最不利。

4.2 抗剪承载能力分析

通过表4 和图5、6 可知：在相同荷载等级条件下，采用直接折减混凝土强度、钢筋截面的参数计算得出的支点h/2 处、箍筋间距变化段处斜截面剪力抗力值小于只在承载能力检算系数、

恶化系数中考虑混凝土强度折减的抗力值，折减5.2%；在不同荷载等级条件下，（公路-Ⅰ级）荷载等级下的支点h/2 处斜截面剪力效应值较（汽车-20 级、挂车-100）荷载等级下剪力效应值大46.7%，（公路-Ⅰ级）荷载等级下的箍筋间距变化段斜截面剪力效应值较（汽车-20 级、挂车-100）荷载等级下剪力效应值大37.1%。

因此在空心板支点h/2 处、箍筋间距变化段处斜截面抗剪承载能力检算时，若实际空心板砼强度低于设计值、且钢筋截面有折减时，应采用实际的混凝土强度和折减后的钢筋几何参数进行检算，此时结构计算最不利。

5 结论

5.1 在钢筋混凝土桥梁上部结构承载能力评定时，若实际板梁砼强度低于设计值、钢筋截面有折减时，应采用实际混凝土强度和折减后的钢筋几何参数进行承载能力评定，此时结构计算最不利。

5.2 对13m 钢筋混凝土空心板（采用89 通规设计）而言，由汽车-20 级、挂车-100 提升至公路-Ⅰ级，支点附近斜截面剪力效应值增加46.7%，跨中正截面弯矩效应值增大18.7%，原设计抗力值与现荷载等级下效应值相差较大，现役桥梁提载升级时应予以充分考虑。

图6 中板箍筋间距变化段处斜截面抗剪承载能力对比图