某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的安全性分析.pdf

年度专题某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的安全性分析王红伟1,蓝日彦1,冯学茂1,刘栋1,刘全佩（1.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁53 0 0 2 9;2.广西大学，广西南宁53 0 0 0 4）摘要：为了评估某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后的安全性，文章采用现场检测、理论分析和荷载试验相结合的方法，经人工调查和使用常规测量工具对旧桥的病害进行检测，获取了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的分布情况；采用ANSYS有限元软件建立旧桥的三维精细化实体有限元模型，对旧桥的技术状况进行评定，评分为56.8，属于三类桥，其跨中弯矩不满足公路一I级荷载要求，梁端剪力满足要求；在此基础上开展旧桥的荷载试验，试验结果表明旧桥的承载力略低于公路一I级荷载，且存在一定病害，需要进行加固，验证了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后理论分析结果的准确性。关键词：钢筋混凝土空心板；开裂；技术状况；有限元；荷载试验中图分类号：U445.7*1文献标识码：ADOl：1 0.1 3 2 8 2/j.c n k i.w c c s t.2 0 2 3.0 8.0 0 1文章编号：1 6 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-0 30引言1木桥梁构造及病害概况由于车辆荷载、腐蚀环境等因素影响，桥梁在服役1.1桥梁构造简介期内会出现各种威胁安全性和耐久性的病害1-2,尤其某旧桥全长6 1 m，桥面为分离式结构，设计荷载为是各类旧桥，准确地获取和评估病害对承载力的影响对汽超2 0、挂-1 2 0；上部结构为3 1 6 m钢筋混凝土空保障旧桥的安全性具有重要的意义。目前，国内针对旧心板，每幅由1 1 块3 0#混凝土的空心板组成，每幅净宽桥的检测多是采用人工的方法，新检测技术和新检测装11.25m。桥梁纵断面见图1。备也发展迅速3-4,例如智能机器人、声波CT技术5和6100基于MaskRCNN的桥梁裂缝检测方法6 等，相关研究也600比较丰富，有力地促进了桥梁病害检测技术的发展。关于桥梁状态的评估，目前多是基于人工检测结果结合技术状况评定规范来进行，王磊等7 基于中美两国桥梁承载力评定规范对比指出美国的桥梁承载力评定结果略显保守，中国的评定流程与计算公式更加简洁。也有学者开展了不同评估方法对比研究，龚江烈等8 分析了目前常用评定方法的优缺点，提出了基于振动特性的原始指纹评定法。此外，也有将材质状况与模糊评判结合起来9、拟静态挠度法1 0 评定桥梁桥承载力，取得了良好的效果。通过荷载试验评定桥梁承载力1 1-1 2 也比较多，荷载试验获得的桥梁承载力通常低于桥梁的破坏承载力，该方法虽然可靠性较高，但造价较高，在实际应用时受到一定的限制。为了评估某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后的安全性，本文采用现场检测、理论分析和荷载试验相结合的方法，以人工调查和常规测量工具相结合的方法对旧桥的病害进行检测,采用ANSYS有限元软件建立旧桥的三维精细化实体有限元模型，对旧桥的技术状况进行计算评定，并开展旧桥的荷载试验进行验证，可为国内同类型桥梁的检测与评估提供借鉴和参考。基金项目：广西科技基地与人才专项 钢管混凝土拱桥拱肋的脱空检测与状态评估方法研究”（编号：桂科AD21220063)作者简介：王红伟（1 9 8 8 一），博士，高级工程师，研究方向：桥梁检测、监测、评估与加固。16000图1 桥梁纵断面示意图（cm）1.2梁底病害概况采用人工调查和常规测量工具相结合的方法，针对桥梁的桥面系、空心板、墩台与基础等进行调查，结果表明三大部分均存在不同程度的病害，其中对结构承载力和安全性影响比较大的是梁的底板开裂，梁底裂缝分布见图2，其中视图观测方向自下向上。LLLTLAILIPLLLEK北流IT图2 梁底裂缝分布示意图1600上游SIT下游16002*7003*玉林2023年第8 期总第1 9 3 期1年度专题由图2 旧桥的裂缝开裂和分布情况统计分析可知，裂缝宽度在0.0 4 0.1 6 mm,裂缝分布范围比较广，尤其是跨中部位，削弱了截面的抗力，威胁旧桥的耐久性。21旧桥安全性的理论分析2.1旧桥技术状况评定基于旧桥现场检测结果，获得旧桥的实际技术参数，结合公路桥梁技术状况评定标准，对旧桥进行评定，具体评定结果见表1。表1 旧桥各部件技术状况评定结果表部件名称权重翼墙、耳墙1锥坡、护坡1桥台及基础23桥墩及基础24地基冲刷8支座3上部主要承重构件20上部一般承重构件5桥面铺装1桥头与路堤连接部3伸缩缝3人行道1栏杆、护栏1灯具、标志1排水设施1调治构造物3其他1桥梁总体技术状况得分D，计算公式如下：D,=100-2R,W/5i=1式中：R；评定标度；W;一权重。在获得桥梁各构件技术状况评定结果的基础上，根据式（1)计算总体技术状况得分D,，可得D,为56.8,属于三类桥。2.2旧桥承载力验算基于桥梁的设计图纸和实际测量尺寸，采用ANSYS有限元软件建立该旧桥的三维空间精细化实体有限元模型，单元类型采用Solid45,C30混凝土弹性模量3101Pa，泊松比为0.2，单元数为1 2 50 4，节点数为18833,边界条件采用简支。其有限元模型三维视图见图3。分析。取冲击系数为1.2 0 9，重要性系数取1.0。（1)内力分析。由数值分析结果可知公路-I级荷载作用下，旧桥的最不利跨中弯矩为1 1 1 4.1 58 kNm，梁端剪力为3 2 6.8 7 5kN。根据桥梁的构造和材料参数，计算可得跨中弯矩承载力为1 1 1 3.7 kNm，梁端剪力为636.61kN。由此可知，桥梁的跨中弯矩不满足公路-I级荷载要求，梁端剪力满足要求。(2)裂缝验算。综合考虑恒载、汽车活载及各自分项系数，计算可得短期和长期效应的组合值分别为681.485 kN m和56 5.7 1 3 kN m。钢筋应力。和纵向受拉钢筋配筋率的计算分别部件评定标度22320230433030400见式(2)和式(3)。0 =M,/0.87 A,ho=188.720 N/mmp=bho+(br-b)hr式中：b-截面宽度（mm）；A,受拉钢筋面积（mm）；bf翼缘宽度（mm）；hf翼缘厚度（mm）；ho-一有效高度(mm)。裂缝宽度W计算见式（4），可知桥梁的裂缝宽度Wtk0.2mm，不满足桥梁规范要求。Wu=C,C,C.r(30+d(0.28+10g式中:C1、C,和 C3一系数；钢筋应力(MPa);d-钢筋直径（mm）；一效配筋率；E一钢筋弹性模量（N/mm）。(1)3旧桥安全性的试验验证基于旧桥现场检测、技术状况评定和承载力验算，开展旧桥的荷载试验，获取桥梁的静力和动力特性，评估旧桥的安全性。3.1试验设计在旧桥现场检测和理论分析基础上，为了检验旧桥实际承载力，开展静载和动载试验。考虑旧桥的构造和受力特点，选取中跨和边跨的跨中截面和支座截面进行测试。在测试截面布置动静应变和位移测点，桥面布置速度传感器。测点布置见图4。7应变测点挠度测点(2)A,=0.019 6=0.248 mm下游速度传感器589(3)(4)10下游4图3 有限元模型三维视图图4测点布置示意图基于建立的三维有限元模型，针对旧桥开展承载力8910112西部交通科技Wesem.chinsCommunications Science&Technology某钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的安全性分析/王红伟，蓝日彦，冯学茂，刘栋，刘全佩荷载采用公路一I级，进行试验布载和数值分析，计算结果表明采用3 辆3 4t重单轴车可满足加载效率0.95 1.05。3.2静力试验结果分析3.2.1静应变试验结果分析各工况荷载作用下，旧桥中跨跨中各测点应力测试及计算值见图5，边跨跨中各测点应力测试及计算值见图6。拉应力为正，压应力为负。6543210-1M-1 M-2 M-3 M4 M5 M6 M7 M8 M9M10 M11图5中中跨跨中各测点应力测试及计算值曲线图8一偏载测试值7一偏载计算值一恒载+偏活载6一正载计算值一正载测试值5一恒载+正活载320S-1S-2S-3S-4S-5S-6S-7S-8S-9 S-10 S-11测点编号图6 边跨跨中各测点应力测试及计算值曲线图对图5和图6 进行分析可知：不同荷载工况作用下，各测点应力测试值与计算值存在一定差别，实测值均小于计算值，最大测试值为3.18MPa（在2#墩3#台第3 跨），相应最大计算值为3.20MPa，但全桥只有2 根梁应力 3 MPa。这主要是由于有限元计算是将桥梁简化为弹性体分析，而旧桥各跨板底面存在大量裂缝。恒载应力叠加活荷载应力后，加上恒载应力最大值达7.40 MPa，其他板板底应力在叠加恒载应力后全部都3.0MPa,超过混凝土抗拉强度。由于三跨都具有相同几何尺寸、相同刚度及相同荷载作用，对应工况的实测数据基本一致，证明实测数据规律是准确的。卸载后各测点残余应变值均 5e，结构处于弹性工作范围。3.2.2静挠度试验结果分析各工况荷载作用下，测点挠度实测及计算值见图7。测点竖向位移向上为负，向下为正。6.5一正载一测试值正载-计算值6.05.55.04.53.0偏载测试值一偏载计算值恒载+偏活载一正载测试值一正载计算值恒载+正活载测点编号一偏载-测试值偏载-计算值2.52.01.5图7 各测点静挠度测试及计算结果曲线结果图由图7 分析可知：各工况不利荷载作用下各测点挠度分布规律合理，并与有限元计算结果一致，校验系数 8 5%，且随着钢渣掺量的增大，残留稳定度也随之增大。(4)冻融劈裂试验研究显示，在最佳油石比条件下，钢渣沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比 8 0%，且随着钢渣掺量的增大，冻融劈裂抗拉强度比也随之增大。参考文献1 李立寒，张南鹭.道路工程材料（第五版)M.北京：人民交通出版社，2 0 0 9.2卢国胜.沥青混凝土路面结构设计探讨J.西南科技大学学报（自然科学版）2 0 0 4（1)：6 6-6 9.3Kent R.Hansen,Audrey Copeland.Asphalt Pavement IndustrySurvey on Recycled Materials and Warm-Mix Asphalt Usage2016(Information Series 138)7th Annual SurveyLR.USA:Na-tional Asphalt Pavement Association,2017.4崔鹏，孙立军，胡晓.高等级公路长寿命路面研究综+述J.公路交通科技，2 0 0 6(1 0)：1 0-1 4.5张庆，侯德华，史纪村.橡胶沥青的微观表征方法及其微观特性综述J.材料导报，2 0 1 9,3 3(S2)：2 47-2 53.6杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状J.公路交通科技，2 0 0 5,2 2(7)：1 9-2 2.7吴中华.橡胶粉改性沥青及混合料路用性能研究D.杭州：浙江大学,2 0 1 3.8蓝天助，张红日，陆世斌，等.泵送钢渣混凝土配合比设计与试验研究J.混凝土，2 0 2 0,3 7 2（1 0)：1 0 6-1 0 9.9Wu S,Xue Y,Ye Q,et al.Utilization of steel slag as aggre-gates for stone mastic asphalt(SMA)mixturesJ.Building&Environment,2007,42(7):2 580-2 585.10王会刚,彭犇，岳昌盛，等.钢渣改性研究进展及展望J.环境工程，2 0 2 0,3 8(5)：1 3 3-1 3 7，1 0 6.11俞海明.钢渣处理与综合利用M.北京：冶金工业出版社,2 0 1 5.12JTGE42-2005,公路工程集料试验规程S.13DB45T1098-2014-1,橡胶沥青路面施工技术规范S.1 4JT G E2 0-2 0 1 1，公路工程沥青及沥青混合料试验规程S.收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 2+(上接第3 页）旧桥的病害进行检测，获取了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的分布情况；采用ANSYS有限元软件建立了旧桥的三维精细化实体有限元模型，对旧桥的技术状况进行计算评定，结果表明旧桥的技术状况评分为56.8，属于三类桥，跨中弯矩不满足公路一I级荷载要求，梁端剪力满足要求；开展了旧桥的荷载试验，试验结果表明旧桥的承载力略低于公路一I级荷载，且存在一定病害，需要进行加固，进一步验证了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后理论分析结果的准确性，可为国内同类型桥梁的检测与评估提供借鉴和参考。参考文献1金祖权，吝杰，侯保荣.滨海大桥混凝土结构耐久性检测与评估JI.公路交通科技，2 0 1 0,2 7(S1)：58-6 2.2曹明旭,刘钊,孟杰.美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考J.公路,2 0 0 9(7)：1 6 2 1 6 7.3田春艳,葛惠娟，郭晗，等.混凝土旧桥检测评估J.中外公路,2 0 1 9,3 9(6)：1 2 6 1 2 9.4贺拴海，王安华，朱钊，等.公路桥梁智能检测技术研究进展J.中国公路学报，2 0 2 1,3 4（1 2）：1 2-2 4.5苏建坤,渠文平，孙锐.声波CT技术在旧桥病害诊断中的应用J.物探与化探,2 0 0 9,3 3(3)：3 54-3 57.6廖延娜，豆丹阳.基于MaskRCNN的桥梁裂缝检测方法设计及研究J.应用光学,2 0 2 2,43(1)：1 0 0-1 0 5,1 1 8.7王磊，陈鹏飞，张旭辉，等.钢筋混凝土公路桥梁承载力评定的中美规范对比分析J.中外公路，2 0 1 7,3 7（6)：93-98.8龚江烈，周阳帆.既有桥梁承载能力评定方法的探讨J.公路工程,2 0 1 5,40(1):2 0 1-2 0 4.9马亚丽，王东威.基于结构检算和模糊评判的既有桥梁承载力评定J.公路，2 0 1 4,59（1 0)：1 56 1 59.1 0 王凌波，胡大琳，蒋培文.拟静态挠度法评定梁式桥承载力J.长安大学学报（自然科学版），2 0 1 0,3 0（4）：5155,81.1 1 张新志.钢筋混凝土旧桥承载能力评估方法研究J.公路,2 0 1 3(1):2 7 4-2 7 7.1 2 李勇，张劲泉，余波.钢筋混凝土T梁旧桥极限承载能力研究J.公路交通科技，2 0 1 7,3 4（4)：6 6-7 1.收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 02023年第8 期总第1 9 3 期7