某预应力混凝土V型连续刚构桥的承载能力检测评定

赖道斌

（福建省建筑科学研究院有限责任公司、福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350025）

0 引言

随着市政交通量的逐日提高，许多桥梁在使用多年后需提高荷载等级。在役桥梁往往已存在一定的病害，在提高荷载等级之前可能需要进行加固改造，而桥梁的承载能力检测评定是改造前的必要过程，可为桥梁改造提供基础数据及改造依据。预应力混凝土连续刚构桥作为当前我国最常见的桥型之一，如何规范准确地对其进行承载能力检测评定是十分重要的。以某八跨五联预应力混凝土V 型连续刚构桥为背景工程，在提高荷载等级前，对其进行承载能力检测评定，为桥梁的后期使用提供有效依据，同时也为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

某桥梁为八跨五联预应力混凝土V 型连续刚构桥，全长366m，跨径组合为30m+6×50m+30m，桥面布置为12.0m=0.5m（栏杆）+11.0m（人行道）+0.5m（栏杆）。上部结构主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱双室，混凝土设计强度为C50。墩顶处为V 型空心结构，高为8.18m，跨中及端部梁高为1.6m，悬臂长为3.0m。梁底线形采用由直线变化到二次曲线，跨中箱梁顶板宽为12.0m，底板宽为5.0m。全桥设置4 个剪力铰，分别位于第2 跨、第3 跨、第5 跨、第7 跨跨中。下部结构采用实体墩、钻孔灌注桩基础。桥跨结构布置如图1所示。

图1 桥梁立面示意图（单位：cm）

桥梁原设计荷载为人群4.5kPa。在服役若干年之后，为方便人员往来，缓解周边桥梁交通压力，相关单位拟改变桥梁的使用功能，将该桥改为单向通行机动车，通行荷载为城-B 级，拟改造方案如图2所示。为了解桥梁按该方案改造后，是否满足设计荷载的要求，改造前应对该桥进行桥梁结构承载能力检测评定[1]。

图2 桥梁拟改造方案（单位：cm）

2 桥梁缺损状况检测评定

桥面系：桥面铺装1 处破损，面积约0.1m2；在桥面铰伸缩缝内堵塞大量杂物，且伸缩缝止水带均有破损，铰伸缩缝两侧桥面均存在高差[2]。

上部结构：全桥剪力铰处均存在渗水，侵蚀主梁梁体，铰内钢板锈蚀；第1、4、5 跨翼板局部存在少量横向裂缝；第6、7、8 跨翼板存在较多横向裂缝，个别裂缝处渗水结晶。

下部结构：桥台两侧砌石挡墙均开裂；桥墩水下部分表面局部存在水生螺类附着；桥台钢支座组件均轻微锈蚀；对河床断面进行扫描检查，桥位河床基本稳定，水下桥墩附近河床局部存在轻微下切现象。

该桥为城市主干路上的桥梁，根据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99—2003）对其进行桥梁技术状况评定，技术状况指数BCI 为85.04，整桥评定等级为B级，处于良好状态。

3 桥梁材质状况及状态参数检测评定

抽取第2 跨主梁、第4 跨主梁、第6 跨主梁、第8 跨主梁、P4 墩上主梁、P7 墩上主梁6 根构件进行回弹法现龄期混凝土强度检测、钢筋保护层厚度检测、钢筋锈蚀电位检测及结构自振频率检测，并依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）进行评定。评定的结果表明：所检构件混凝土强度推定值均>60MPa，评定标度均为1；所检构件的钢筋保护层厚度为17～46mm，钢筋保护层厚度评定标度在3～5之间；所检构件的纵向受力钢筋锈蚀电位水平最小值为-40，判定混凝土内部钢筋锈蚀状态评定标度均为1，即无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定；桥梁的竖向一阶自振频率为6.54Hz，理论计算的竖向一阶自振频率为6.44Hz，桥梁结构自振频率评定标度为2。

4 桥梁荷载试验

4.1 试验内容及荷载效率

以拟改造后的桥梁荷载等级作为控制荷载，选取如图3所示A、B、C、D、E 五个截面为控制截面，分别设置五个工况：其一，第8 跨最大正弯矩（截面A）；其二，第6 跨最大正弯矩（截面D）；其三，P6 墩上主梁最大正弯矩（截面C）；其四，P7 墩顶最大负弯矩（截面B）；其五，第4 跨T 构斜腿最大正弯矩（截面E）[3]。按照内力等效的原则布置试验荷载，使得试验荷载效率不小于0.95 且不大于1.05。

图3 静载试验控制截面（单位：cm）

4.2 挠度及应变测试结果

在如图3所示的A、B、C、D、E 五个控制截面梁底布置挠度或应变测点，每个截面梁底沿横桥向均匀布置3 个测点。在各工况荷载作用下，挠度测点的测试结果见表1，应变测点的测试结果见表2。由测试结果可知：其一，3 个挠度测试截面的最大挠度发生在第6 跨跨中截面，可见挠度大小与结构跨径关系密切。其二，各截面沿横桥向3 个测点的测试值均较为均匀，表明结构横向受力稳定。其三，各工况卸载后，各测点的相对残余挠度值及相对应变值在0%～8.33%之间，均小于规范限值20%，结构基本处于弹性工作状态。其四，各挠度及应变测点的校验系数在0.39～0.84 之间，均小于1.0，即实测值均小于理论值，结构具有一定的安全储备[4]。

表1 挠度测试结果汇总表

表2 应变测试结果汇总表

5 桥梁承载能力检算

5.1 结构分析模型及荷载组合

对该桥上部结构分析计算，采用桥梁专用程序MIDAS/Civil 进行空间建模，采用梁格单元模型。检算荷载等级取改造后的汽车荷载城-B 级及人群荷载4.5kN/m2，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求进行荷载组合。

5.2 各项检算系数取值

根据荷载试验结果，主要控制截面最大挠度校验系数为0.84，最大应变校验系数为0.78，由此确定检算系数为1.03。

该桥上部结构各混凝土构件材料风化、碳化、物理与化学损伤的评定标度值均为1，且桥梁无沿钢筋的裂缝产生，由此确定截面折减系数及钢筋截面折减系数均为1.00。

根据缺损状况、材质状况等指标的检测结果，综合确定该桥的恶化评定标度为1.80，进而确定恶化系数为0.036。

5.3 截面承载能力检算结果

选取关键截面作为承载能力检算截面，最不利正截面抗弯承载能力验算结果见表3，最不利受剪承载力验算结果见表4。检算结果表明，效应与抗力的比值均小于1.0，即上部结构主梁正截面抗弯承载能力及斜截面抗剪承载能力均满足要求。

表3 正截面抗弯承载能力检算表

表4 斜截面承载能力计算结果汇总表

6 结论

其一，根据桥梁缺损状况检查评定结果、材质状况与状态参数检测评定结果、荷载试验结果，对桥梁上部结构按改造方案的通行荷载布置进行承载能力检算。结果表明，该桥梁承载能力满足改造设计荷载（汽车荷载：城-B 级，人群荷载：4.5kN/m2）的使用要求。

其二，通行机动车辆后，该桥梁的剪力铰势必受到一定的车辆冲击，特别车辆超重、铰缝高差或损坏时，冲击作用将加剧。故在日常运营过程中，应加强铰缝维养并保持行车平顺。同时，该桥应严禁超载车辆通行，避免长期过大冲击造成难于修复的剪力铰损坏。

其三，桥梁改造时，应对桥梁原有的缺损问题进行处理。改造后，管养单位应严格按照现行桥梁养护规范要求，对桥梁进行日常的维护和检查工作，确保桥梁的完好和安全运行。