既有预应力简支梁桥荷载试验及承载能力评定

■彭 浩

（南平市公路事业发展中心武夷山分中心，南平 354300）

1 工程概况

大安中桥位于福建省南平市武夷山市，桥型布置为4×20 m 预应力混凝土简支空心板梁，每跨共7 片预应力混凝土简支空心板梁，每片梁梁高0.9 m，梁宽1.24 m。 桥梁宽度：0.25 m （混凝土防撞护栏）+0.75 m（人行道）+7.0 m（行车道）+0.75 m（人行道）+0.25 m（混凝土防撞护栏）=9.0 m，桥面连续，横坡由桥面铺装调整。 1#、5#桥台为U 型台，2#、3#、4#桥墩为柱式墩扩大基础。 梁片、桥墩和桩基的混凝土强度等级分别为40 号、30 号和30 号混凝土。 设计荷载：汽-20 级，挂-100。 2003 年竣工。 桥梁立面全景图见图1。

图1 桥梁立面图

图2 桥梁横断面图

根据桥梁养护需要，为了解桥梁的实际承载能力状况，拟通过外观检测、理论计算、现场荷载试验及结构检算，对桥梁承载力进行评价。

2 外观检测

本次外观检测主要内容包括： 全桥外观检查、上部结构板梁混凝土回弹强度、碳化深度、保护层厚度、钢筋锈蚀状况等。

2.1 外观检查

（1）桥面系：经检查，全桥混凝土桥面共有10条横纵向裂缝，缝长（1.00～5.00）m，宽（1.00～2.50）mm，1 处路面破损S=0.40 m×0.15 m，2 处桥头搭板路面磨损露粗骨料面积为S1=4.0 m×4.0 m 和S2=8.0 m×3.0 m。 （2）上部结构：2-5#、2-6#、3-1#、3-3#、3-4#空心板板底共出现5 条纵向裂缝，缝长（0.30～1.10）m，缝宽（0.04～0.06）mm。 4-7#空心板梁底1 处掉块面积S=（0.10×0.10）m2。全桥共3 跨空心板间铰缝未见填料。 （3）下部结构：9 个支座与梁底不密贴。 3#盖梁左侧防震挡块与边梁密贴，4# 台左侧防震挡块与边梁密贴，0#台左侧防震挡块与空心板梁间垃圾堆积，长青苔。 从外观检查情况看，第2 跨和第3 跨病害较多。 拟选取外观较好的第1 跨和病害较多的第3 跨进行对比，以分析病害较多的第3 跨桥梁结构是否存在削弱现象。

2.2 混凝土回弹强度检测

在1-2#、1-4#、1-5#、3-1#、3-5#、3-7# 空心板板底采用回弹法测定桥梁结构构件材质强度，所检构件混凝土强度状况均为良好，结果见表1。

表1 桥梁结构构件材质强度测试结果

2.3 混凝土碳化状况检测

在1-2#、1-4#、1-5#、3-1#、3-5#、3-7# 空心板板底采用钻孔+酚醛指示剂法检测与评定桥梁结构构件混凝土碳化状况（表2），结果显示：碳化深度实测平均值（4.5～5.0）mm，混凝土保护层厚度实测平均值（59.6～63.9）mm，碳化层深度/保护层厚度（0.07～0.08），均小于1。 因此，混凝土碳化状况对桥梁结构耐久性影响不大。

表2 桥梁结构构件混凝土碳化状况测试结果

2.4 混凝土保护层厚度检测

对桥梁构件混凝土保护层厚度进行检测（表3），构件保护层厚度最大值（64.9～67.8）mm，最小值（55.5～57.6）mm，平均值（59.6～63.9）mm，标准差（2.95～3.73）mm，特征值（54.76～58.50），设计值57.0，特征值/设计值0.96～1.03，因此，所检构件的保护层对钢筋耐久性影响不大，对钢筋的保护有效。

表3 桥梁结构构件混凝土保护层厚度测试结果

2.5 钢筋锈蚀状况

在第1 和第3 跨梁片底面布置测区进行钢筋锈蚀电位检测，经检测，该构件钢筋锈蚀电位水平介于（-193～-106）mV。 根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[1]要求，构件钢筋锈蚀标度值取1，因此判定测区部位钢筋无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定。

2.6 全桥技术状况评分及等级评定

根据 《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）对桥梁总体技术状况的评定。 桥梁总体技术状况见表4。

表4 桥梁技术状况评定

桥梁总体技术状况评分为82.9 分， 综合全桥总体技术状况评分及单项控制指标，本桥技术状况等级2 类。 从外观检测结果看，第3 跨除板梁纵向裂缝较多外，其他外观检测结果与第1 跨很接近。

3 荷载试验

荷载试验包括静载试验和动载试验。 通过建立桥梁结构的有限元模型，研究桥梁结构在现场加载车辆作用下的实测值与计算模型的理论计算值之间的比值，来评价桥梁结构的承载能力状况。 本研究使用Midas Civil 有限元计算软件建立空间模型，对本桥上部结构进行计算分析，计算模型见图3。其中每片梁纵向分为20 个单元，每片梁之间按铰缝进行约束，梁体为一端固定，另一端竖向约束、水平向自由伸缩。 动力响应分析中，梁体按质量块进行处理。 依据桥梁模型，模拟计算出桥梁的设计荷载等级和试验荷载的内力、应变和变形，以及桥梁结构的自振特性。

图3 桥梁Midas Civil 有限元计算模型

3.1 静载试验

桥梁静载试验主要是通过采用与设计荷载等效的桥面静力荷载作用于桥梁结构，测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的挠度和应变，用以确定桥梁结构的实际工作状态与最初设计期望值是否相符，以及桥梁截面刚度及整体刚度是否满足设计承载能力要求。

3.1.1 试验荷载确定

根据外观检测结果，选取病害较多的第3 跨作为试验对象，采用4 辆约40 t（400 kN）的重型卡车进行加载（图4）。试验设置2 个荷载工况，各工况荷载效率系数在0.95～1.05。试验分为三级加载和一级卸载，每级加载后持续5 min，使结构得到充分的零荷恢复后进行读数，再进入下级加载，直至递增达到最大荷载，最后直接卸载到零水平，得到残余应变和残余变形数据。加载车辆的主要技术参数见表5，车辆纵横向排列见图5，静力加载试验计算值及荷载效率见表6。

表5 加载车辆主要技术参数

表6 静力加载试验计算值及荷载效率

图4 重型卡车加载车型

图5 各工况下加载车辆的平面布置图

3.1.2 静载试验观测方案

静力荷载试验的主要观测项目为应变测点和挠度测点。 （1）应变测点：将振弦式应变计粘贴在空心板梁底部截面，设置7 个应变测点，测试截面和应变测点布置见图6～7。 （2）挠度测点：在第3 跨中截面、2#墩和3#墩顶支座处布置支点沉降观测点，共设置21 个挠度测点（见图8）。采用精密水准仪测量，根据支点沉降结果对挠度测试结果进行修正。

图6 静力荷载试验测试截面

图7 静力荷载试验应变测点布置图

图8 静力荷载试验挠度测点布置图（单位：cm）

3.1.3 静载试验结果分析（1）应变数据分析

桥梁荷载试验在不同工况下的应变值见表7～8。由表7～8 可知，在工况1 荷载作用下，主要控制测点应变校验系数处于（0.49～0.51）范围，在工况2 荷载作用下，主要控制测点应变校验系数处于（0.50～0.51 范围），略低于《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）[2]中预应力混凝土桥主要控制测点校验系数（0.6～0.9）常值范围，表明在最不利活载效应作用下，实测应变值均小于满载理论值，桥梁应力状况能满足设计要求。 在工况1 荷载作用下，卸载后主要控制测点的最大相对残余应变为3.3%，在工况2荷载作用下，卸载后主要控制测点的最大相对残余应变为3.1%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中主要控制测点的相对残余变形（或应变）不宜大于20%的规定，说明桥梁结构处于弹性受力阶段。

表7 工况1：第3 跨最大正弯矩截面左侧偏载各测点应变值

表8 工况2：第3 跨最大正弯矩截面右侧偏载各测点应变值

（2）挠度数据分析

桥梁荷载试验在不同工况下的挠度值见表9～10。由表9～10 可知，在工况1 荷载作用下，主要控制测点挠度校验系数处于（0.57～0.61）范围，在工况2 荷载作用下，主要控制测点应变校验系数处于（0.49～0.66 范围），略低于《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中预应力混凝土桥主要控制测点校验系数（0.7～1.0）常值范围，表明在最不利活载效应作用下，实测挠度值均小于满载理论值，桥梁变形状况能满足设计要求。 在工况1 荷载作用下，卸载后主要控制测点的最大相对残余变形为9.0%，在工况2 荷载作用下，卸载后主要控制测点的最大相对残余变形为16.3%， 满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中主要控制测点的相对残余变形（或应变）不宜大于20%的规定，说明桥梁结构处于弹性受力阶段。

表9 工况1：第3 跨最大正弯矩截面左侧偏载各测点挠度值

表10 工况2 ：第3 跨最大正弯矩截面右侧偏载各测点挠度值

3.2 动载试验

动载试验包含环境振动试验和无障碍行车试验，通过脉动法测量桥梁的自然振动频率和阻尼比，通过强制振动法测量动态系数。 比较测量的频率、理论计算的频率及分析测得的动态系数，检验这些指标能否满足规范要求，进而判定当前桥梁结构的受力性能。

3.2.1 测试项目和测点布置

（1）环境振动试验

环境振动试验是在桥面无任何行车荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，在桥梁给定的参考横截面上布置传感器，记录并识别桥梁动态特性（固有频率、模态形状、阻尼比）及其随时间的变化，测定桥跨结构由于风荷载、地脉动、水流等随机荷载引起的桥跨微幅振动响应。 桥梁动载测试传感器的测点布置见图9。

图9 桥面环境振动测点纵横向布置图

（2）无障碍行车试验

无障碍行车试验是在桥面无任何障碍的情况下，用1 辆40 t（400 kN）的载重汽车以10、20、30、40 km/h 的速度驶过桥跨结构， 测定桥梁在运行车辆荷载作用下的动载反应。 无障碍行车测试截面为第3 跨最大正弯矩截面，动挠度测点布置见图10。

图10 桥梁无障碍行车动挠度测点布置图

3.2.2 动载试验结果分析

（1）环境振动试验

在环境振动试验下测量的竖向一阶阻尼比为0.737%、振动频率S 为5.91 Hz、理论计算的振动频率J 为4.69 Hz、S/J 为1.26。 竖向一阶理论振型、实测振型见图11～12。 动载试验竖向一阶实测频率为5.91 Hz， 大于通过有限元计算得到的理论结构基频4.69 Hz，且实测振型与理论振型一致，实测阻尼比0.737%，说明桥梁结构受力状况较好。

图11 一阶模态理论振型

图12 一阶模态实测振型

（2）无障碍行车试验

桥梁第3 跨在激振试验下的动挠度测试时程曲线见图13。

图13 激振试验动挠度测试时程曲线

大桥在无障碍行车情况下的实测冲击系数见表11。

表11 不同车速激振下实测桥面动挠度与冲击系数

由表11 可知，实测的冲击系数（1+μ）换算值介于1.02～1.07。根据《公路桥涵设计通用规范》计算得到中桥的冲击系数理论值为1.288， 因此实测值均小于规范理论值，说明桥面平整度较好、行车舒适度较高。

4 承载能力检算

本桥板梁跨中截面为主要控制截面，具体的结构尺寸、预应力钢束和钢筋构造分别见图14～19。

图14 板梁结构尺寸图（单位：cm）

图15 板梁跨中和支点截面尺寸图（单位：cm）

图16 板梁预应力钢束结构尺寸图

图17 板梁跨中和支点截面钢束位置尺寸图（单位：cm）

图18 板梁普通钢筋结构尺寸图（单位：cm）

图19 板梁跨中和支点截面普通钢筋结构尺寸图（单位：cm）

检算涉及的主要计算参数如下：板梁采用40号混凝土，相当于现行规范的C38 等级。 预应力钢束采用6φj-15，标准强度Ryb=1 860 MPa。 I 级钢筋直径φ8，分别为N1～N5、N9～N16，相当于现行规范的HPB300 等级；II 级钢筋直径φ12，分别为N7、N7A、N8、N17，相当于现行规范的HRB400 等级。 根据外观检测和静载、动载的试验结果，评定大安中桥的承载能力。 依据《公路桥涵设计通用规范》[3]、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[4]、《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，分别按计入和不计入检算、恶化、折减、修正系数的情况，推求桥梁跨中截面正截面抗弯抗力效应和最不利荷载效应组合值，当截面抗弯抗力效应大于截面弯矩组合效应，承载能力符合要求，反之，则视为桥梁承载力不足。 预应力简支梁桥承载能力按下列公式计算：

式（1）中：γ0—结构的重要性系数；S—荷载效应函数；R（·）—抗力效应函数；fd—材料强度设计值；adc—构件混凝土几何参数值；ads—构件钢筋几何参数值；Z2—承载能力检算系数；ξe—承载能力恶化系数；ξc—配筋混凝土结构的截面折减系数；ξs—钢筋的截面折减系数。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》持久状况承载能力极限状态计算规定，参照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-85）中汽车-20级，挂车-100 的原荷载等级进行计算。跨中控制截面弯矩效应组合值为1 581 kN·m，不计检算、恶化、折减、修正系数时，板梁跨中截面抗力为1 884 kN·m。 跨中截面弯矩效应组合值小于板梁截面抗力，因此正截面抗弯强度满足规范要求。 计入检算、恶化、折减、修正系数时，各系数取值如下：根据桥跨主要测点应变或变位校验系数确定承载能力检算系数Z2为1.18；根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》可知承载能力恶化系数ξe=0.0264； 根据桥梁截面损伤综合标度值R=1，得出截面折减系数ξc=1.00；根据现状检查结果，桥梁无沿钢筋的裂缝，也没观察到钢筋锈蚀，钢筋截面钢筋折减系数ξs=0.98。 按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-85）进行正截面抗弯承载力验算，1# 梁跨中截面最大弯矩组合值为1 581 kN·m，跨中截面抗力为1 637 kN·m，跨中截面弯矩效应组合值小于板梁截面抗力，因此正截面抗弯强度满足规范要求。

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》对该桥的承载能力评定，大安中桥承载能力满足设计荷载汽-20 级，挂-100 级的使用要求，具备设计通行汽车荷载的能力。

5 结语

通过对大安中桥外观检测、现场荷载试验和承载能力检算，得出以下结论：（1）桥梁外观总体情况较好，全桥技术状况评定2 类（82.9 分），存在个别病害问题但对桥梁结构承载力的影响不大；（2）静载试验荷载满载时， 各控制截面测点的实测挠度值、应变值均小于理论计算值，满足《公路桥梁荷载试验规程》中的校验系数的常值范围；各挠度测点、应变测点的相对残余变形（应变）满足《公路桥梁荷载试验规程》中主要控制测点的相对残余变形（或应变）不宜大于20%的规定，说明桥梁结构处于弹性受力阶段；（3）动载试验中竖向一阶实测频率为5.91 Hz，大于通过有限元计算得到的理论结构基频4.69 Hz，且实测振型与理论振型一致，实测阻尼比0.737%，说明桥梁结构受力状况较好；无障碍行车试验下，实测的冲击系数（1+μ）换算值介于1.02～1.07，小于中桥的冲击系数理论计算值1.288，说明桥面平整度较好、行车舒适度较高；（4）通过对桥梁进行承载能力检算，按计入恶化、折减、修正系数的情况，计算得出桥梁跨中截面抗力大于截面弯矩组合效应值，说明桥梁承载能力符合要求，满足设计荷载汽-20 级，挂-100 级的使用要求。