基于静载试验的既有板桥承载能力评定

杜 婷，刘莉萍，杨 阳

（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8~14 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

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。

图1 桥梁外观检查结果

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0.4~0.8 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°方向，缝宽0.5~1 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。

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 23—2011《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

表3 2#墩混凝土抗压强度结果MPa

表4 混凝土T 梁抗压强度结果MPa

根据表2—表4 可知：

1）①1#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；②平均碳化深度均为3.5 mm。

2）①根据各测区回弹值和碳化深度得出1#墩1—8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；②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；③实测强度值23.9 MPa 大于设计强度值20 MPa，满足要求。

3）①根据各测区回弹值和碳化深度得出2#墩1—3测区的强度换算值分别为39.9、30.1、39.6 MPa；②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；③实测强度值30.1 MPa 大于设计强度值20 MPa，满足要求。

4）①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；②计算混凝土T 梁的强度推定值为58.8 MPa；③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 B 01—2014《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550 kN 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η 取0.5~0.8。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297 kN 的北方奔驰载重汽车，车前轴重为57 kN，后轴重为2×120 kN，车型为3 轴，前轴间距4.45 m，后轴间距1.45 m，前轮轮距1.995 m，后轮轮距1.800 m，车长9.365 m，宽2.495 m。

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

2.3.3 静载试验结果

通过实测位移校验用系数ηω来评价结构强度和承载力，计算如公式（2）所示

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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0.5~0.9 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0.4~0.8 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。