某钢筋混凝土旧桥承载能力评估.pdf

某 钢 筋 混 凝 土 旧 桥 承 载 能 力 评 估 侍刚 1, 张若钢1, 李国栋2 ( 1. 中铁大桥局集团桥科院有限公司, 湖北 武汉 430034; 2. 重庆市江津滨江新城开发建设有限公司, 重庆 402260) 摘要: 随着桥梁运营年限的增加, 大量在役桥梁承载能力评估成为现有桥梁管养工作的重要组成部分。阐 述旧桥承载力评估的内容和方法, 并结合工程实例通过外观检测、 结构检算及静载试验分析某钢筋混凝土旧桥的 承载能力, 同时采用有限元法分析该桥在静载试验过程中的应力及变形。结果表明, 该桥安全储备不足, 构件劣化 的趋势较快。综合考虑其它因素, 建议拆除重建该桥, 并给出新桥设计的建议。 关键词: 钢筋混凝土桥;旧桥; 承载能力;外观检测; 静载试验;有限元法;评估 中图分类号: U448. 33;U446文献标志码: A文章编号:1671- 7767(2010) 02- 0063- 03 收稿日期 作者简介 侍刚(), 男, 工程师,年毕业于西南交通大学应用力学与工程系, 工学学士(y)。 1引言 近年来我国交通事业飞速发展, 大量新建桥梁 投入运营, 但是大部分桥龄达到 30 40 年的桥梁仍 在继续使用, 随着使用年限的增长, 部分桥梁出现不 同程度的损伤, 导致结构的承载能力降低, 同时随着 地方社会经济的发展, 桥梁的适应性也愈不能满足 运营要求, 旧桥承载能力、 运营适应性评估成为既有 桥梁管理养护的重要工作。 对既有桥梁进行承载能力评定的方法大致可分 经验法、 荷载试验法、 设计理论法、 专家系统评定法、 承载能力的计算机有限元模拟、 基于动力的评估以 及以可靠度理论为基础的评估方法 1 等。现行旧桥 承载能力评估一般由外观检查、 桥梁检算和桥梁荷 载试验 3 部分组成。通过外观检查确定桥梁工作状 况, 然后进行检算, 当采用检查、 检算的方法不足以 鉴定桥梁承载能力时可采用荷载试验, 结合调查、 检 算来评定桥梁承载能力 2 。本文以某钢筋混凝土旧 桥为例, 介绍该旧桥承载能力评估的内容及方法。 2工程概况 某大桥为 920 m 的普通钢筋混凝土简支 T 梁桥(见图 1), 于 1976 年建成通车。该桥横向由 7 片 T 梁组成, 双向 2 车道。原设计标准为汽- 20 级, 挂- 100。经过 30 多年的运营及交通量和车辆 荷载的增加, 2001 年通过在 T 梁梁肋侧面及底面粘 贴钢板进行加固, 同时在原横隔板位置增加角钢剪 刀撑以增强主梁横向联系, 使该桥荷载标准提高到 汽超级, 挂。近几年来该桥一直处于超 图 1大桥立面及横断面示意 负荷运营状态且出现了更多的病害。 3承载能力评估 3. 1外观检查及技术等级评估 由于外观技术等级的评定因不同的人会做出不 同的评判, 结论的可信度取决于评定者的工程经验 和判断能力, 因此要求检查人员具有丰富的工程 经验。 经外观检查, 该桥下部结构损伤严重, 一些封闭 的裂缝重新开裂, 个别桥墩桩身被侵蚀 15 20 cm, 墩身及部分横系梁及盖梁底部和两侧出现较大面积 混凝土脱落, 脱落深度最深处达 4 cm, 脱落处钢筋 锈蚀较严重。另外, 该桥主要构件存在大量病害, 其 中支座锈蚀严重, 不能正常工作; T 梁新增裂缝共计 315 条, 裂缝总长达到 206. 87 m, 个别裂缝宽度超 过了规范所允许的 0. 20 mm; T 梁铰接缝处普遍渗 水, 且已形成了白色钙化物结晶, 超过 50% 的 T 梁 翼缘板存在泛白现象; 桥面铺装严重破损, 表面有大 量凹槽, 个别桥跨破损面积达 10% 以上, 行车舒适 性差。经评定该桥外观技术等级为四类, 状况较差。 3. 2桥梁结构检算评估 根据桥梁现场调查工作, 在承载能力评定中引 63 某钢筋混凝土旧桥承载能力评估侍刚, 张若钢, 李国栋 : 2010- 01- 20 :1978-2000E mail: shigang0101ahoo. cn -20- 120 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 入考虑实际检测结果的检算系数、 恶化系数、 截面折 减系数、 活载影响修正系数等, 使承载力评定结果更 能反映桥梁的实际状况。该桥 2001 年加固后的技 术等级为汽- 超 20 级, 挂- 120, 因此其承载能力验 算仍按 公路桥涵设计通用规范! 3 进行检算。 在验算承载能力时, 考虑到粘贴钢板已对裂缝 进行了封闭处理, 但仍有一些未完全封闭的裂缝及 新裂缝出现, 在按照全截面受力进行抗弯计算后, 对 承载力进行一定的折减。经外观检测, 混凝土强度 等级推定为 C25, 计算时按照 C25 混凝土相关参数 取值; 钢板为 A3, 其弹性模量取值为 200 GPa。 3. 2. 1跨中正截面抗弯强度验算 该桥承载能力极限状态计算基本组合为组合 1 和组合 2。基本组合 1 为: 1. 2恒载内力+ 1. 4 (汽车+ 人群) 内力; 基本组合 2 为: 1. 2恒载内 力+ 1. 1挂车内力。 经计算, 基本组合 1 荷载效应 MJ1= 2 318. 8 kNm, 基本 组合 2 荷载效 应 MJ2= 2 229. 6 kNm, MJ1 MJ2, 因此选取基本组合 1 作为该桥 承载能力极限状态检算荷载。 根据桥梁现状, 依据 公路桥梁承载能力检测评 定规程! 4 取桥梁检算系数 Z1= 0. 9; 依据混凝土表 观缺损、 推定强度及碳化深度取承载力恶化系数e = 0. 05; 主梁部分混凝土保护层剥落及强度降低, 取 混凝土验算面积折减系数c= 0. 9; 考虑钢筋锈蚀, 钢筋检算面积按 0. 95 倍的设计面积取值, 即取s= 0. 95。通过引入以上系数对该梁进行强度验算。 经 计 算,该 桥 正 截 面 抗 力 效 应 Mu= c rc Rabx(h0- x 2 ) + Ra(b #i-b)h#i(h0- h#i 2 ) Z1( 1 -e) = 2 641 kNm。 通过实地调查桥梁的交通量, 引入活载影响修 正系数q。在验算中, 活载影响修正系数q1= 1. 2, 大吨位车辆混入率的活载影响修正系数q2= 1. 1, 轴荷载分布的活载影响修正系数q3= 1. 3, 则活载 影响修正系数q= 3 q1q2q3= 1. 13。 考虑活载影响修正系数后的荷载效应计算值 M#j= 1. 2恒载效应+ 1. 4汽车荷载 q+ 1. 4 人群荷载 = 2 474 kNm Mu。 通过验算可知, Mj Mu M#j, 当按照该地地方 标准计算荷载效应时, 该桥正截面抗弯承载力不满 足2001 年加固设计要求, 结构承载力安全储备偏小。 3. 2. 2支点斜截面抗剪验算 经计算, 支点附近混凝土和箍筋的综合抗剪能 力 QK为 321. 7 kN, 弯起钢筋承受的剪力 QW为 114. 8 kN, 则支点附近的抗剪承载力为 QR= QK+ QW= 436. 5 kN。基于检测结果的结构抗力效应经 折减系数修正后为 Q#R为 392. 9 kN, 由程序计算得 荷载产生的剪力 Qj= 1. 2恒载效应+ 1. 1活载 效应= 485 kN, 考虑活载影响修正系数的荷载效应 计算值 Q #j= 1. 2恒载效应+ 1. 1活载效应 q = 524 kN。即 Q#R Q#j, 结构的抗力小于荷载效应, 该桥抗剪承载力不能满足规范要求。 3. 3荷载试验评估 3. 3. 1有限元计算 在静载试验前对该桥进行建模分析, 在建模中 考虑桥梁外观普查结果, 将计算模型及相关参数进 行适当调整, 使模型能真实反映桥梁结构现状。依 据混凝土表观缺损、 推定强度, 混凝土弹性模量略有 降低, 对主梁混凝土弹性模量进行 0. 95 的折减, 即 取 28 0000. 95= 26 600 MPa; 主梁加固钢板为 2001 年所加固, 其弹性模量仍然取其设计值; 考虑 到粘贴钢板已对裂缝进行了封闭处理, 虽然仍有一 些未完全封闭的裂缝及新裂缝出现, 在有限元模型 中忽略裂缝的影响。计算模型其余参数仍然按照本 文 3. 2 节结构验算时相关参数取值。 采用桥梁分析软件 MIDAS 建立该桥有限元模 型, 由于该桥的每跨均是简支梁, 因此取其中的一跨 建模, 并且建模时忽略了桥墩及基础部分, 按照桥梁 实际边界条件在主梁腹板底部节点约束其平动自由 度来模拟固定支座; 混凝土 T 梁和粘贴钢板均采用 三维实体单元模拟, 假定粘贴钢板与混凝土 T 梁结 合良好, 无任何滑移; 按照加固后的汽- 超 20 进行 加载, 车载按集中力施加在轮压处, 车载加载的载重 按前、 后轮轴重施加。 3. 3. 2静载试验 静载试验按照加固后的汽- 超 20 对跨中正弯 矩进行加载, 需 4 辆 35 t 重车。偏载为对边梁( 7 号 梁)进行加载, 中载为对中梁(4 号梁)进行加载。为 便于分析比较, 本次静载试验截面采用年检验 时的试验截面, 即该桥第跨、 第跨和第跨跨中 截面, 在试验跨跨中截面的混凝土上布置测点, 测试 64世界桥梁 2010 年第 2 期 1.1. 2 1. 41.1. 4 2007 129 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 荷载作用下梁体的应变( 力) 变化。同时在 T 梁加 固钢板上布置应变测点, 以测试加固钢板与 T 梁协 同工作性。 3. 3. 3结果分析 经计算, 4 车偏载时边梁加载效率为 94%, 4 车 中载时中梁加载效率为 97% 。由于篇幅有限, 仅列 出北岸第 1跨应变及挠度部分测试结果( 见表 1 表 3) 。 表 1第 1 跨 4 车偏载时 T 梁底部钢板应变 T 梁 编号 钢板应变/ ! 本次 实测值 2007 年 实测值 本次 理论值 本次校 验系数 本次残余 应变/ ! 本次残余 应变率/ % 7 号3902293331. 1782 6 号2882403000. 9631 5 号2812383350. 8410 4 号2592072810. 9242 3 号2051562130. 9610 2 号1391021121. 2521 1 号6949541. 2711 表 2第 1 跨中载和偏载时 T 梁 腹板混凝土实测应力MPa T 梁 编号 T 梁腹板实测应力 2 车 中载 4 车 中载 2 车 偏载 4 车 偏载 7 号1. 392. 842. 594. 89 6 号2. 696. 054. 208. 99 5 号4. 287. 905. 048. 93 4 号1. 904. 031. 973. 82 表 3第 1 跨 4 车偏载时 T 梁挠度测试结果 T 梁 编号 T 梁挠度/ mm 本次 实测值 2007 年 实测值 本次 理论值 本次挠度 校验系数 本次残余 挠度/ mm 本次残余 变形率/ % 5 号8. 347. 9615. 70. 530. 405 4 号8. 467. 4213. 00. 6500 3 号9. 344. 719. 90. 940. 131 由以上结果可以得知: (1) 在试验荷载作用下, 试验桥跨 T 梁跨中钢 板应变校验系数在 0. 84 1. 27 之间, 粘贴钢板应变 校验系数偏高, 一些粘贴钢板应变校验系数已经超 过 1. 0。一方面说明, 粘贴钢板能很好地共同参与 T 梁受力, 另一方面说明结构荷载效应水平偏高, 结 构安全储备不足。 (2) 跨中 T 梁腹板下缘混凝土拉应力, 在 4 车 中载和偏载作用下全部超过拉应力限值。考虑到混 凝土裂缝的影响, 应变有增大的趋势。跨中挠度校 验系数在 0. 53 0. 94 之间, 从挠度的校验系数来 看, 该桥在刚度上还有一定的承载能力, 但从应变来 看, 钢板应变的校验系数较大, 大桥安全储备不足。 (3) 本次静载试验挠度和应变实测值与 年试验实测值相比, 在考虑了加载量的变化后, 应变 及挠度均有不同程度的增加, 构件劣化的趋势较快。 3. 4桥梁通行能力评定 该桥为国道上的一座大型公路桥梁, 比邻县城, 交通位置重要, 但该桥仅为双向 2 车道, 而此处国道 为双向 4 车道, 二者很不匹配; 且该桥与两侧线路连 接处弯曲半径太小, 不利于车辆的通行和疏散, 极易 发生交通事故; 随着通行车辆和超载现象的逐年增 加, 近年来该桥一直处于超负荷运营中。 3. 5承载能力评定结果及建议 根据各项评定结果, 综合分析认为, 该桥已不能 满足目前及以后的运营要求。鉴于该桥为已使用 30 年的旧桥, 已经过一次加固处理, 对该桥进行进 一步加固的价值不大, 因此, 建议该桥拆除重建。针 对目前桥址处的状况, 对新桥的设计提出以下建议: %新桥与线路的连接应当顺直, 便于行车, 以减少安 全事故; 适当增大桥梁跨度, 减小河水的壅 水作用, 减少伸缩缝的数量, 提高运营舒适性。 4结语 桥梁承载能力评定关系到桥梁结构的使用性和 安全性, 在对桥梁承载能力进行最终评定时要综合 考虑外观检测、 结构检算及荷载试验的结果。试验 前对结构进行加载模拟是旧桥、 危桥荷载试验的重 点。通过外观检测、 结构检算为模型的模拟提供合 理的结构参数, 这样方可保证理论分析与实际吻合, 保证测试结果的准确性。通过评定对直接利用的桥 梁应对结构缺陷提出管养对策, 对拆除重建的桥梁 应有充分的理由 5 。在当前情况下旧桥的检测、 评 定具有重要的经济意义和社会意义。 参考文献: 1 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司. 既有桥 梁结构承载力与剩余寿命研究报告R. 2006. 2 交通部公路科学研究所. 公路旧桥承载力鉴定方法( 试 行稿) M . 北京: 人民交通出版社, 1988. 3 JT J 023- 85, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范S. 4 交通部公路科学研究所. 公路桥梁承载能力检测评定规 程(送审稿) Z . 1999. 5 李璇, 唐登波, 梁晓东浅谈干线公路旧桥检测评估 企业技术开发, ( ) 666 (下转第 6 页) 65 某钢筋混凝土旧桥承载能力评估侍刚, 张若钢, 李国栋 2007 . J .20084 :-8. 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m members, 34 were made up of 19 steel wire strands which were to be changed into 22 strands while the rest of 4 made up of 13 strands would be kept identical with the original design. In the replacement of the tie members, the special long handle sand wheels were used to manually cut off the existing members, the emergence (temporary) members tensioned on the temporary beds were used to replace the members that were cut off. When a tie member was cut off, a new tie member was installed and tensioned, and the cutting and installing of the successive members continued. The corrosion of tie member strands was protected by sand blasting and injecting rust ban grease. Since the replacement of the tie members, the bridge has been in good operation con dition so far. Key words: tied arch bridge; tie member; corrosion; cable replacement; design; construction (上接第 65页) Assessment of Carrying Capacity of an Old Reinforced Concrete Bridge SHI Gang 1, ZHANG Ruo gang1, LI Guo dong2 (1. Bridge Science Research Institute Ltd., China Railway Major Bridge Engineering Group, Wuhan 430034, China; 2. Binjiang New T ownship Development and Construction Co., Ltd., Jiangjin, Chongqing City, Chongqing 402260, China) Abstract: As the operation years of a large number of in service bridges increase, the assess ment of carrying capacity of these bridges has become an important component of current bridge management and maintenance. In this paper, the contents and methods of assessment of the car rying capacity of old bridges are expounded. With reference to the practical bridge examples and through the visual inspection, structure checking calculation and static load tests, the carrying capacity of an old reinforced concrete bridge is analyzed and at the same time, the stress and de formation of the bridge in the static load test is also analyzed by the finite element method. The results of the analysis show that the safety reservation of the bridge is inadequate and the tenden cy of deterioration of the components of the bridge is rather quick. In comprehensive considera tion of other related factors, it is suggested that the bridge should be demolished and rebuilt and the proposal for rebuilding of a new bridge is accordingly provided. Key words: reinforced concrete bridge; old bridge; carrying capacity; visual inspection; stat ic load test; finite element method; assessment 69 某拱桥系杆换索设计与施工王解元, 潘德鹏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m