朱 鄭，馮劍平，胡召青

(1.山東高速股份有限公司京臺分公司 棗莊養(yǎng)護(hù)所，山東 棗莊 277000;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

截止目前，我國橋梁總數(shù)達(dá)到60余萬座，其中大部分均為中小跨徑的簡支梁橋和連續(xù)梁橋。運營年限達(dá)20年以上的，約有30萬座橋梁。原有橋梁的設(shè)計荷載等級低，已有相當(dāng)部分?jǐn)?shù)量的舊橋不能滿足道路等級提升的要求，舊橋的改造工程已得到相關(guān)部門的高度重視。

在道路改建、路線等級提升工作中，會涉及到沿線橋梁的原有荷載等級發(fā)生變化的問題。改建后的橋梁其承載能力是否滿足高等級荷載的要求，需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢驗。因此關(guān)于公路橋梁承載能力評定的研究變得十分重要。本文在有限元分析的基礎(chǔ)上，對云南某地區(qū)一座斜交板橋的承載能力進(jìn)行評定分析，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程背景

該橋為先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，斜交角45°。原車輛荷載等級為計算荷載為汽車—20級，驗算荷載為掛車—100。橋面寬度為0.5 m(護(hù)欄)+7 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，總寬度為8 m，雙向雙車道。由8塊寬度為99 cm的空心板組成，板與板之間的間隙為1 cm?？招陌宀捎?0號混凝土，受力鋼筋為HRB335和R235兩種類型。空心板全長為12.96 m，計算跨徑為12.6 m，空心板厚度為60 cm。空心板橫截面形式如圖1所示。

圖1 空心板橫截面 (單位:cm)

該橋已經(jīng)運營了20余年，按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[1](JTG H11－2004)(以下簡稱 《養(yǎng)護(hù)規(guī)范》)和 《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[2](JTG/T H21－2011)(以下簡稱《技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行了外觀檢測，發(fā)現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)的病害程度較為嚴(yán)重。上部結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹脹導(dǎo)致空心板梁底的混凝土保護(hù)層脫落、鉸縫滲水嚴(yán)重、梁底橫向裂縫、梁底滲水泛白，部分板式橡膠支座產(chǎn)生剪切變形或開裂;下部結(jié)構(gòu)中，橋臺存在豎向裂縫;橋面系中，伸縮縫被雜物堵塞，瀝青混凝土橋面鋪裝存在坑槽和縱橫向裂縫等。最終確定該橋的總體技術(shù)狀況等級為3類。道路等級提升后，橋面寬度增加到12 m:0.5 m(護(hù)欄)+11 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，即增加了一個車道，變?yōu)槿齻€車道，橫向增加到12塊空心板。汽車荷載等級由汽車—20級變?yōu)槌恰狝級，其余參數(shù)不變。為評定該橋的實際承載能力能否達(dá)到城—A級的要求，對其進(jìn)行承載能力評定[3]。

2 有限元模型的建立

同時采用有限元軟件Midas Civil 2011和橋梁博士3.2建立斜交板橋的有限元模型。以道路加寬后的斜交板橋:橋?qū)?2m、橫向12塊空心板為依據(jù)建立梁格模型[4－5]。建模時采用以下三種假設(shè):(1)混凝土和鋼筋為理想彈性材料，混凝土和鋼筋的彈性模量為常數(shù);(2)計入10 cm的混凝土現(xiàn)澆層參與結(jié)構(gòu)受力，不考慮瀝青混凝土鋪裝的剛度對橋梁承載能力的影響;(3)截面變形符合平截面假設(shè)。Midas Civil 2011和橋梁博士3.2建立的全橋模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 全橋模型 (Midas Civil 2011)

圖3 全橋模型 (橋梁博士3.2)

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[6](JTG D60－2004)和《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》[7](CJJ77－98)要求，空心板選用C40混凝土，A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，選用φS15.0低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，受力主筋為HRB335，箍筋選用R235，考慮升、降溫20℃和溫度梯度荷載，結(jié)構(gòu)的自重和橋面鋪裝荷載，考慮城—A級汽車荷載。

3 有限元計算結(jié)果的對比分析

限于篇幅，本文只對不滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[8](JTG D62－2004)(以下簡稱《橋規(guī)》)要求的情況給出對比分析。

3.1 持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力驗算

根據(jù)《橋規(guī)》7.1.5式可知，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力，應(yīng)符合下列規(guī)定:受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力≤0.5fck=0.5×26.8=13.4MPa，受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力≤0.65fpk=0.65×1570=1020.5MPa。

受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力比較如圖4和圖5所示，圖中數(shù)據(jù)壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力比較如圖6所示，圖中數(shù)據(jù)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖4 混凝土壓應(yīng)力比較 (支點)

圖5 混凝土壓應(yīng)力比較 (跨中)

由圖4可知，支點處除第7至第12號板受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力滿足要求外，其余各板均不滿足要求。由圖5可知，跨中處除第10和第11號板受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力滿足要求外，其余各板均不滿足要求。

圖6 受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力比較

由圖6可知，受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力除12號邊板滿足要求外，其余11塊板均不滿足要求。

3.2 正截面抗裂驗算

根據(jù)《橋規(guī)》6.3.1－3式可知，荷載短期效應(yīng)組合下，使用階段正截面抗裂驗算需滿足σstσpc≤0.7ftk=0.7×2.4=1.68MPa，拉應(yīng)力比較如圖7和圖8所示，圖中數(shù)值壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。根據(jù)《橋規(guī)》6.3.1－4式可知，荷載長期效應(yīng)組合下，使用階段正截面抗裂驗算需滿足σltσpc≤0，拉應(yīng)力比較如圖9所示，圖中數(shù)值壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

荷載短期效應(yīng)組合下，由圖7可知，支點處所有板的拉應(yīng)力均不滿足要求;由圖8可知，跨中處除第1、2、11和12號板拉應(yīng)力滿足要求外，其余第3至第10號板均不滿足要求。荷載長期效應(yīng)組合下，由圖9可知，支點處所有板的拉應(yīng)力均不滿足要求。

圖7 短期效應(yīng)下的拉應(yīng)力比較 (支點)

圖8 短期效應(yīng)下的拉應(yīng)力比較 (跨中)

圖9 長期效應(yīng)下的拉應(yīng)力比較 (支點)

3.3 斜截面抗裂驗算

根據(jù)《橋規(guī)》6.3.1－7式可知，荷載短期效應(yīng)組合下，使用階段斜截面抗裂驗算滿足σtp≤0.7ftk=0.7×2.4=1.68MPa，拉應(yīng)力比較如圖10和圖11所示，表中數(shù)值壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

由圖10可知，支點處所有板的拉應(yīng)力均不滿足要求。由圖11可知，跨中處除第1號板拉應(yīng)力滿足要求外，其余各板的拉應(yīng)力均不滿足要求。

圖10 短期效應(yīng)下的拉應(yīng)力比較 (支點)

圖11 短期效應(yīng)下的拉應(yīng)力比較 (跨中)

4 基于外觀檢測的空心板承載能力評定

4.1 主要檢測結(jié)果與檢算系數(shù)的確定

根據(jù)《養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和《技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》，缺損狀況的最終評定標(biāo)度值為2。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21－2011)(以下簡稱《評定規(guī)程》)，該橋的材質(zhì)狀況檢測結(jié)果為:混凝土強度評定標(biāo)度值為2，鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度值為4，混凝土氯離子含量評定標(biāo)度為3，混凝土電阻率評定標(biāo)度為4，混凝土碳化評定標(biāo)度為3，鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度為3。

空心板檢算系數(shù)的結(jié)果為:承載能力檢算系數(shù)Z1為1.09，承載能力惡化系數(shù)ξe為0.0457，混凝土截面折減系數(shù)ξc為0.93，鋼筋截面折減系數(shù)ξs為0.81，活荷載影響修正系數(shù)ξq為1.05。

4.2 荷載效應(yīng)計算

通過理論計算，并根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60－2004)進(jìn)行荷載組合，最終求得的控制荷載效應(yīng)為:跨中彎矩Mj=739kN·m，支點剪力Qj=311.1kN。

4.3 抗力效應(yīng)計算

頂板寬b=690 mm，可計算得到鋼筋重心到板底的距離為36 mm，則h0=700－36=664 mm，腹板厚僅偏安全地考慮預(yù)制部分，即330 mm，頂板厚170 mm;C40混凝土的抗壓強度設(shè)計值為18.4Mpa，則有混凝土抗力為:fcdbhf=18.4×690×170=2.158×106N;鋼筋抗力:fpdAp+fsdAs=1070×7×85+280×1539=1.678×106N;由于頂板混凝土抗力大于鋼筋抗力，混凝土受壓區(qū)高度x在頂板內(nèi)，則有x664=266 mm，滿足適筋梁要求。

4.4 基于外觀檢測的空心板極限承載力評定

根據(jù) 《評定規(guī)程》7.3.1式:γ0S≤R(fd，ξcadc，ξsads)Z1(1 － ξe)可知:

設(shè)計跨中正截面抗彎承載力Mu=651.6 N·m，考慮各種折減系數(shù)修正后的抗力M'u=651.6×1.09× (1－0.0457)=677.8 kN·m。荷載效應(yīng)的設(shè)計值Mj=739 kN·m，考慮活載影響系數(shù)修正后的荷載效應(yīng)為M'j=739×1.05=775.9 kN·m。故M'u＜M'j，即結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)小于荷載效應(yīng)，該橋空心板跨中截面不能滿足抗彎極限承載力的要求。

5 結(jié)語

(1)兩種軟件模擬的有限元梁格模型的計算結(jié)果同承載能力評定中的理論計算結(jié)果一致，符合實際情況。因此，對于其他類似橋梁，可以采用有限元計算方法來評定其承載能力，計算結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)由有限元計算結(jié)果可知，大部分截面的應(yīng)力值在相應(yīng)荷載組合的作用下，均不滿足規(guī)范值的要求，且大部分應(yīng)力值嚴(yán)重超限。因此，在僅僅加寬橋面和增加空心板的橫向數(shù)量的情況下，該斜交板橋是無法滿足城—A級汽車荷載要求的。

[1]JTG H11－2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2]JTG/T H21－2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]JTG/T J21－2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[4]范立礎(chǔ).橋梁工程 (上冊)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[5]E.C.Hambly.橋梁上部構(gòu)造性能[M].郭文輝，譯.北京:人民交通出版社，1982.

[6]JTG D60－2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[7]CJJ77－98，城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8]JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].