基于特殊检测与荷载试验的桥梁承载能力综合评定

王子强 （辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 引言

1.1 工程概况

本文以某座市政先张法预应力混凝土简支空心板梁桥为工程实例，介绍基于特殊检测与荷载试验的桥梁承载能力综合评定过程[1]，以此达到更直接更准确评价桥梁承载能力的目的。该桥于2016 年通车，跨径布置为17×20m，跨径总长为340.0m，桥梁全长为344.8m，交角为90°。该桥桥面全宽30.0m，桥面布置形式为3.5m（人行道）+23.0m（机动车道）+3.5m（人行道）。上部结构为预应力混凝土简支无翼缘空心板，每孔20片板。下部结构为钢筋混凝土6柱式桥墩、肋板台，基础均为钻孔灌注桩基础。设计荷载等级为城市-A 级（CJJ 11-2011）。

1.2 桥梁承载能力检测评定理论依据

依据规范可按式（1）对配筋混凝土桥梁进行承载能力极限状态验算。

式中：γ0-结构重要性系数，该桥属于城市主干路，γ0取1.1；S-荷载效应函数；R(·)-抗力效应函数；fd-材料强度设计值，该桥空心板混凝土强度设计值为C40，通过检测结果与设计值比较，若两者接近就取设计值，若偏差较大则取实测值；adc-构件混凝土几何参数值，现场测量验证设计值；ads-构件钢筋几何参数值，现场检测验证设计值；Z2-承载能力检算系数，通过荷载试验结果确定取值；ξe-承载能力恶化系数，现场检测确定取值；ξc-配筋混凝土结构的截面折减系数，现场检测确定取值；ξs-钢筋的截面折减系数，现场检测确定取值[2]。

2 桥梁特殊检测

2.1 桥梁基本信息调查

通过查阅图纸资料、交通量信息等，明确桥梁设计荷载等级、空心板混凝土强度设计值、几何尺寸、配筋、活载修正系数等，为桥梁承载能力评定提供依据。

2.2 桥梁缺损状况检测

上部结构：共有25 块空心板混凝土破损剥落、掉角；2 块空心板板底混凝土麻面；1 块板底保护层薄，面积为15m2；2 块板左腹板及板底对应泄水孔处受水侵蚀；2道铰缝渗水泛碱。

图1 空心板底混凝土剥落掉角

通过对该桥的外观检查，依据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）对该桥上部结构空心板进行完好状态、结构状况评估，该桥完好状态评估等级为B级、上部结构状况评估等级为B级。

2.3 桥梁材质状况、状态参数检测

依据《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233-2015）对该桥上部结构空心板混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土电阻率、混凝土氯离子含量、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀电位等材质状况、状态参数进行检测。通过检测的结果计算出承载能力恶化系数ξe、配筋混凝土结构的截面折减系数ξc、钢筋的截面折减系数ξs[3-4]。

该桥空心板混凝土强度、混凝土碳化状况、混凝土电阻率、氯离子含量、钢筋锈蚀电位评定标度均为1，钢筋保护层厚度评定标度为3，承载能力恶化系数ξe为0.0612。

该桥空心板混凝土物理与化学损伤、碳化、风化评定标度均为1，得出截面折减系数ξc为1.0。

由于该桥空心板未出现沿钢筋裂缝，确定钢筋截面折减系数ξs为1.0。

3 桥梁荷载试验

3.1 桥梁静载试验

静载试验的基本原则是内力等效，通过在桥梁上施加车辆荷载或堆载等方式使控制截面荷载与设计值的比值满足加载效率，测试控制截面加载过程中的效应值挠度、应变等，与理论计算值的比值得到校验系数。本次静载试验选取第2 孔进行左侧偏载加载，主要测试内容有挠度、应变等参数。

本次荷载试验以城市-A 级（CJJ 11-2011）为控制荷载效应，以2-17#板跨中最大正弯矩作为控制荷载进行布载。通过试验荷载所产生的效应与控制荷载效应计算得出本次静力荷载试验效率为0.98，满足规范要求。

图2 桥梁静载试验现场

图3 挠度、应变测点布置

试验过程中分三级加载，挠度、应变测试结果如表1、表2 所示（只列出效应值明显板的挠度、应变测试结果）。

表1 挠度实测值与理论值对比表(单位：mm)

表2 应变实测值与理论值对比表(单位：mm)

表3 空心板承载能力综合评定结果表

在试验荷载0.98 倍城市-A 级（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板主要控制测点挠度校验系数为0.49～0.53、应变校验系数为0.53～0.78，校验系数小于1.0。

在试验荷载0.98 倍城市-A 级（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板最大正弯矩工况控制截面的挠度和应变与相应荷载基本呈线性关系，且实测相对残余变形和相对残余应变＜20%，结构接近弹性工作状况。

根据静载试验得到的校验系数结果，计算承载能力检算系数Z2为1.05。

3.2 桥梁动载试验

桥梁动载试验需对桥梁动力特性及动力响应两方面进行测试[5]。

①桥梁动力特性测试：采用环境随机激振法测试桥梁的固有频率、振型、阻尼比等桥梁动力参数，从而判定桥梁结构的整体动力刚度和动力性能。

分析计算得出实测频率值为5.813，大于理论计算值。

图4 2-17号板实测频域曲线

图5 2-17号板动挠度曲线

图6空心板有限元模型

②桥梁动力响应测试：进行强迫振动试验，测试桥梁结构在试验荷载作用下的动力响应，本次桥梁动力响应测试为结构的动挠度和冲击系数。

动力响应测试选取与静载试验相同的控制截面，利用静载试验中2-17#板的挠度测点，测试强迫振动过程中挠度变化曲线。通过桥面无障碍和有障碍行车试验，分别采集了不同车速工况下的动挠度时程曲线，并分析得到每种工况下的实测冲击系数。

分析计算得出实测冲击系数为0.212，与理论计算值接近。

4 桥梁承载能力综合评定

通过有限元软件建立了该桥空心板有限元模型，计算跨径19.5m，梁高0.95m，单侧腹板15cm，共划分42 个单元，43 个节点，主梁材料采用C40 混凝土，共16 根φs15.2 的钢束，张拉控制应力1395MPa，下缘配置9 根直径16mm主筋，箍筋为4 肢直径10mm，箍筋加密段长度3.0m，间距10cm，其余部分间距15cm。

分析计算得出空心板承载能力极限状态，城市-A 级（CJJ 11-2011）荷载作用下，跨中截面弯矩荷载效应值1837 kN·m，截面抗力3116 kN·m。距支点h/2 截面剪力效应值556 kN，截面抗力936 kN·m。箍筋变化截面剪力效应值492 kN，截面抗力936 kN·m。

根据特殊检测得到的承载能力恶化系数ξe、配筋混凝土结构的截面折减系数ξc、钢筋的截面折减系数ξs及荷载试验得到的Z2值，代入式（1）中，分别对空心板承载能力极限状态跨中截面抗弯承载力及支点附近截面抗剪承载力进行综合评定。

该桥空心板跨中截面抗弯承载能力和支点附近截面抗剪承载能力均满足城市-A级（CJJ 11-2011）要求。

5 结论

通过特殊检测获取桥梁缺损状况及对其材质状况、状态参数进行检测可评定桥梁承载能力，但该种方法存在局限性，有时难以直接反映桥梁承载能力。本文以某座市政预应力混凝土简支空心板梁桥为例，介绍基于特殊检测与荷载试验的桥梁承载能力综合评定过程，以此达到更直接更准确评价桥梁承载能力的目的，以期为同类型桥梁承载能力评定提供参考。