基于静载试验的既有板桥承载能力评定.pdf

2023 年 29 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application基于静载试验的既有板桥承载能力评定杜婷1，2，刘莉萍1，2，杨阳1，2（1.陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000）部分早期建造的中小桥梁随着使用年限不断增加，出现了不同程度的病害，已不能满足当前重载交通的要求1-5。这类桥梁继续运营会存在比较大的安全隐患，因此对既有桥梁的承载能力进行检测评估6-9，是使桥梁安全运营、使用寿命延长的有效方法。目前主要通过研究板桥的开裂机理及影响10-14、运用健康监测系统评判桥梁安全性15和有限元分析16-17等方法对空心板桥的承载力进行检测评价。本文检测对象为我国 G309 国道 K1264+300 处的混凝土板桥马莲河桥，于 1975 年 10 月建成。通过观察发现目前该板桥的桥墩和梁体均出现不同程度的开裂，部分支座处有锈蚀和倾斜现象，为了验证该桥梁是否影响车辆的正常运行，通过对其采用现场外观质量调查、混凝土表面抗压强度测试、梁体混凝土碳化深度测试以及现场静载试验的方法，并经过理论计算、数据分析和整理，参照该桥竣工文件，提出检定意见。1板桥简介马莲河板桥桥跨结构采用 7 跨的钢筋混凝土 T 型简支梁，跨径为 22.2 m。T 梁采用 C25 混凝土，净高和腹板宽度分别为 135 cm 和 160 cm，翼板高 814 cm。该桥为两车道双向行车，全长 170.5 m，桥面净宽 7.0 m，两侧设有宽度为 0.75 m 的人行道，桥上净高 4.5 m，桥下净高 22.7 m。桥梁的重力式桥墩、U 型桥台、球形支座和扩大基础均采用 C20 混凝土，设计荷载为汽-13 级，拖-60 级。进行检测时，为了能够记录清楚桥梁主要承重构件的变化情况，对其进行编号，见表 1。表 1桥梁构件编号表基金项目：教育部产学合作协同育人项目（220505940203638）；甘肃省教育厅创新基金项目（2022A-136）；庆阳市自然科学基金项目（QY2021A-F023）第一作者简介：杜婷（1991-），女，硕士，讲师。研究方向为公路工程、基础工程。摘要：为了评定既有板桥的承载力，该文针对混凝土板桥马莲河桥，采用外观质量调查、混凝土表面抗压强度测试、梁体混凝土碳化深度测试及现场静载试验，了解结构在荷载作用下的实际工作状态，结果表明混凝土强度虽然满足条件，但桥梁挠度校验系数均值大于 0.90，刚度较低，工作性能较低。而且缝宽度均在 0.40.8 mm 之间，远大于规范规定的限制。据此制定该桥的安全运行条件，为下一步修复和提高该桥荷载等级的加固工作提供科学依据。同时通过累积试验结果，为以后桥梁的养护和维修，以及运营期间的健康监测提供相关资料。关键词：既有板桥；混凝土强度；静载试验；承载能力；裂缝中图分类号院U446.3文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤29-0054-04Abstract:In order to evaluate the bearing capacity of the existing slab bridge,this paper adopts appearance qualityinvestigation,concrete surface compressive strength test,beam concrete carbonation depth test and field static load test to understandthe actual working state of the structure under load.the results show that although the concrete strength meets the conditions,theaverage deflection check coefficient of the bridge is more than 0.90,the stiffness is low and the working performance is low.Andthe width of the seam is between 0.4 mm and 0.8 mm,which is much larger than the limit stipulated in the specification.Based onthis,the safe operation conditions of the bridge are established,which provides a scientific basis for the next step of repairing andimproving the load grade of the bridge.At the same time,through the accumulation of test results,so as to provide relevant data forthe future maintenance and maintenance of the bridge,as well as health monitoring during operation.Keywords:existing slab bridge;concrete strength;static load test;bearing capacity;crack名称数量编号编号原则孔跨7 跨第一跨、第二跨第七跨由宜川至兰州桥台2 座0#桥台和 7#桥台由宜川至兰州桥墩6 座1#墩、2#墩6#墩由宜川至兰州T 梁5 片1#梁、2#梁5#梁由上游至下游DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.29.01354-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期2.2构件混凝土强度检测2.2.1检测原理采用 HT225A 型回弹仪检测桥梁构件的混凝土强度。回弹仪通过弹簧驱动重锤弹击混凝土表面，通过测量反弹回来的重锤距离来推算混凝土强度。2.2.2检测步骤1）测区和回弹测点布置。试验时选取清洁、干燥和平整的区域（无蜂窝、麻面、浮浆、油垢和残渣等）均匀布置测区，并在每个测区均匀布置 16 个测点进行回弹测试。2）测区平均回弹值计算。首先将测得的 16 个数值按其大小进行排序，然后找出其中 3 个最大值和 3 个最小值，将其剔除，最后把剩余的 10 个回弹值取其平均值作为测区回弹平均值。3）梁体混凝土碳化深度检测。在不影响结构承载能力和运行的情况下，在有代表性的混凝土梁上钻孔（避开钢筋），使用 1%浓度的酚酞酒精溶液和深度测量工具进行检测，通过混凝土的颜色变化来区分出混凝土碳化和未碳化的交界面，交界面到混凝土表面的垂直距离即为混凝土梁的碳化深度。检查完毕后用同等级或高一等级的水泥砂浆将钻孔封闭。4）混凝土强度的推定。由于板桥梁体和桥墩测区数均少于 10，根据 JGJ/T 232011 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程18，利用测试出的回弹值和混凝土碳化深度，计算其混凝土强度推定值（f(cu，e)）如公式（1）所示f(cu，e)=fc(cu，min)，（1）式中：fc(cu，min)为构件中最小的测区混凝土强度换算值。计算结果见表 2、表 3 和表 4。表 21#墩回弹法检测混凝土抗压强度结果MPa测点 测区回弹值 1 2 3 4 5 6 7 8 1 33 36 40 36 36 44 32 34 2 36 38 36 39 33 44 46 41 3 37 31 36 38 40 38 35 41 4 37 36 36 43 43 38 30 40 5 33 36 42 34 34 44 34 41 6 35 36 44 44 36 40 42 32 7 37 34 34 43 38 38 46 42 8 33 36 36 38 33 38 36 36 9 40 36 40 42 38 41 36 44 10 34 32 34 43 50 48 38 49 11 30 34 38 37 44 42 34 42 12 34 36 31 46 34 42 33 44 13 32 38 44 36 43 36 36 44 14 40 40 42 44 47 36 32 44 15 40 38 36 34 44 34 35 45 16 33 38 31 48 34 40 35 42 平均值 34.9 36.2 37.3 40.3 38.7 40.1 35.2 42.1 2检测方法2.1桥梁外观质量检查通过目测检查桥面铺装层有无裂缝、剥落、坑槽，护栏和泄水孔是否完好，结构钢筋是否外露等，同时辅以数码相机、高倍望远镜等工具进行配合，检测结果如图 1 所示。通过观测发现混凝土梁体外观质量良好，但由于雨水和污水的侵蚀，出现腐蚀现象，并有部分混凝土剥落、钢筋外露、锈蚀等现象。1#墩和 2#墩墩身均出现大量裂缝，其中 1#墩裂缝较多，裂缝宽度均在0.40.8 mm 之间，墩身两侧圆弧端裂缝为环向裂缝与竖向裂缝交错延伸，竖向裂缝最长达 1 m，最宽达0.5 mm，如图 1（a）和（b）所示。0#桥台有斜向裂缝两道约 60毅方向，缝宽 0.51 mm，延伸 1 m 左右，如图 1（c）所示。该桥桥面铺装混凝土磨损严重，砂石外露，路缘石和人行道裂损严重，栏杆和扶手外观质量良好，球形支座锈蚀严重，个别支座发生偏移。全桥泄水孔完好，未堵塞。渊a冤桥墩环形裂缝渊b冤桥墩竖向裂缝渊c冤桥台斜向裂缝图 1桥梁外观检查结果55-2023 年 29 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application测点 测区回弹值 1 2 3 1 54 43 54 2 44 39 50 3 42 34 46 4 52 38 44 5 51 34 53 6 46 36 48 7 38 43 45 8 46 43 43 9 50 35 50 10 44 42 37 11 38 40 48 12 57 42 46 13 38 38 32 14 50 38 39 15 41 44 42 16 42 39 42 平均值 45.5 39.5 45.3 表 32#墩混凝土抗压强度结果表 4混凝土 T 梁抗压强度结果根据表 2表 4 可知：1）淤1#墩、2#墩、混凝土 T 梁测试状态均为侧面、光洁、风干，测试角度均为水平；于平均碳化深度均为3.5 mm。2）淤根据各测区回弹值和碳化深度得出 1#墩 18测区的强度换算值分别为 23.9、25.5、27.1、31.3、29.2、31.0、24.2 和 34.2 MPa；于计算 1#墩测区的抗压强度平均值为 28.3 MPa，强度推定值为 23.9 MPa；盂实测强度值 23.9 MPa 大于设计强度值 20 MPa，满足要求。3）淤根据各测区回弹值和碳化深度得出 2#墩 13测区的强度换算值分别为 39.9、30.1、39.6 MPa；于计算2#墩测区的抗压强度平均值为 36.5 MPa，强度推定值为 30.1 MPa；盂实测强度值 30.1 MPa 大于设计强度值20 MPa，满足要求。4）淤混凝土 T 梁只有 1 测区得到强度换算值为58.8 MPa，其他测区无混凝土强度换算值；于计算混凝土 T 梁的强度推定值为 58.8 MPa；盂实测强度值58.8 MPa 大于设计强度值 25 MPa，满足要求。2.3静载试验2.3.1试验荷载确定由于该桥拟提高荷载等级为公路 II 级，根据 JTG B012014 公路工程技术标准19规定，公路 II 级标准车辆荷载为 2 辆重量为 550kN 的汽车荷载，考虑到该桥建成于 1975 年，使用年代久远，且桥梁结构存在明显损坏，加之该桥的原设计荷载等级为汽-13 级，拖-60 级，荷载等级较低，为防止荷载试验过程中对桥梁造成不可恢复性破坏，甚至导致结构失效，因此试验荷载未敢贸然采用公路 II 级标准车辆荷载进行加载，而是采用 公路桥梁荷载试验与结构评定 中的汽-20 级进行试验，加载工具采用载重车辆。根据大跨径混凝土桥梁的试验方法中的规定，对该桥采用轻荷载试验，静载荷载的效率 浊 取 0.50.8。根据该桥控制截面的设计荷载内力（位移）进行等效加载，加载时采用 1 辆重量为 297kN 的北方奔驰载重汽车，车前轴重为 57kN，后轴重为 2伊120kN，车型为 3 轴，前轴间距 4.45m，后轴间距 1.45m，前轮轮距 1.995 m，后轮轮距 1.800m，车长 9.365m，宽 2.495m。2.3.2静载试验荷载加载方式试验荷载的加载方式依据 G309 线 K1264+300 板桥马莲河桥的挠度影响线来确定。根据测试内容，静载试验采取 3 种工况，纵桥向都按跨中截面挠度最不利位置进行布载，而横桥向的布载情况如下。工况 1：横桥向为偏载（车辆荷载作用于上游侧）；工况 2：横桥向为偏载（车辆荷载作用于下游侧）；工况 3：横桥向为中载。G309 线 K264+30 板桥马莲河桥纵向加载车辆布置如图 2 所示，横桥向加载方式如图 3 所示。图 2实验荷载纵向布置图图 3试验荷载横向布置图MPaMPa单位：cm935145445635上游荷载下游荷载中载18031018050180504#3#2#单位：cm 测点 回弹值 1 2 3 4 5 1 52 52 62 58 56 2 52 54 50 48 58 3 54 60 60 50 64 4 52 62 62 56 62 5 58 59 56 54 58 6 52 60 56 54 61 7 50 63 56 58 58 8 57 60 58 59 58 9 58 58 58 56 56 10 54 60 55 58 58 11 58 60 64 58 57 12 62 61 58 59 62 13 60 58 57 60 57 14 56 60 54 58 59 15 58 60 62 56 60 16 52 56 57 59 60 平均值 55.2 59.6 57.7 57.1 58.7 56-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期2.3.3静载试验结果通过实测位移校验用系数 浊棕来评价结构强度和承载力，计算如公式（2）所示浊棕=实测位移值/理论计算位移值。（2）在各种工况作用下，第二跨跨中截面处竖向挠度的实测值与理论计算值及校验系数见表 5。表 5第二跨跨中截面处各测点挠度 mm表 5 说明混凝土梁体在 3 种工况下，各测点挠度实测值最大为 4.72 mm，最小为 2.0 mm，挠度校验系数平均值分别为 1.30、1.44、1.74，最大值为 3.24，最小值为 0.88，大于正常范围 0.50.9 的上限，说明该桥各部分连结性较差，刚度低，桥梁结构的工作性能较差。3结论通过实验研究得到该混凝土板桥的性能如下：1）桥面混凝土磨损严重，砂石外露，人行道破损严重，应进行修补。栏杆扶手外观质量良好。2）T 梁、桥墩混凝土强度均符合竣工文件的要求。3）1#墩裂缝较多，裂缝宽度均在 0.40.8 mm 之间，缝宽最大达到 0.8 mm，远大于规范规定的裂缝宽度限制 0.2 mm。4）混凝土梁体在各工况荷载作用下，该桥挠度校验系数均值大于 0.90，说明该桥的刚度不满足要求。通过检测发现该桥在长期反复荷载作用下已产生结构损伤和材料老化；另外由于地震影响，梁体发生移位，墩身出现环形裂缝，这些均对桥梁产生了不利影响。因此，要提高荷载等级，必须对该桥进行加固处理，调整偏移支座归位，更换维修锈蚀支座，同时对桥面和人行道进行修补加固，对梁体和墩身的裂缝进行修补，并对 1#、2#桥墩进行加固，以满足交通通行要求。参考文献院1 田春艳，葛惠娟，郭晗，等.混凝土旧桥检测评估J.中外公路，2019（6）：126-129.2 陈文.花溪大桥承载能力评定分析J.工程技术研究，2021（7）：44-45.3 吴宇晟，杨斌，朱沈阳.既有空心板桥承载能力评估探究J.中国公路，2022（6）：110-111.4 徐平，魏建东，蔡迎春.原桥与加固桥的承载能力现场试验研究J.建筑结构学报，2016，37（S1）：321-327.5 刘大鹏，孙建超.某公路旧桥承载能力检测评估研究J.石家庄铁路职业技术学院学报，2020（2）：13-16.6 肖冰，祝可为.基于三谱分析法的桥梁安全监测评估研究J.呼伦贝尔学院学报，2023（1）：99-104.7 刘超，邹宇罡，赵正.同济路立交桥空心板梁桥加固方案比选J.桥梁建设，2018，48（4）：118-123.8 王保群，邢德进，陈成勇，等.高速公路改扩建既有桥梁承载力评定J.公路，2021，66（8）：216-220.9 康博.河北高速公路桥梁标准疲劳载荷研究J.黑龙江交通科技，2016（8）：81-82.10 徐建红.钢筋混凝土整体式空心板桥的开裂机理和性能评估方法J.重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（6）：1278-1281.11 宋宇锋，孙勇，杨立坡.空心板梁桥铰缝受力特性与破坏模式的试验与理论研究J.中外公路，2018，38（2）：159-165.12 罗彦，吴志隆，唐赓，等.空心板桥桥面裂缝病害分析及处治方案J.中外公路，2020，40（4）：151-153.13 张澄，魏洋，王志远.空心板桥铰缝采用锚固联结钢板加固技术模型试验研究J.公路，2019，64（5）：166-170.14 THAMRIN R，TANJUNG J，ARYANTI R，et al.Shearstrength of reinforced concrete T-beams without stirrupsJ.Journal of Engineering Science and Technology，2016，11（4）：548-562.15 马乃轩，徐传昶，朱晨辉，等.基于桥梁健康监测的青银线济南黄河大桥安全性分析J.公路，2021，66（7）：121-129.16 王祥寿，张晨，康新章，等.武汉青山长江公路大桥主桥荷载试验有限元分析J.桥梁建设，2020，50（S1）：63-67.17 李强，董春，朱琳.基于桥梁车辆荷载谱的有限元分析J.交通世界（工程技术），2015（9）：102-103.18 中华人民共和国住房和城乡建设部.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程：JGJ/T 232011S.北京：中国建筑工业出版社，2011.19 中华人民共和国交通运输部.公路工程技术标准：JTG B012014S.北京：人民交通出版社，2014.工况试验项目梁编号2#3#4#工况 1（上游侧偏载）实测值4.723.292.00理论计算值3.773.741.13校验系数1.250.881.77平均校验系数1.30工况 2（下游侧偏载）实测值3.664.004.47理论计算值1.133.743.77校验系数3.241.071.19平均校验系数1.44工况 3（中载）实测值3.003.913.90理论计算值1.604.301.60校验系数1.890.902.44平均校验系数1.7457-