王贤基

(广东华路交通科技有限公司，广东广州 510800)

1 桥梁概况

ZQ大桥主桥是横跨ZQ市西江河段的一座特大桥，设计荷载等级为汽车—超20级，挂车—120，双向四车道，人群3.5 kN/m，主桥上部结构为86 m+4×136 m+86 m=716 m六孔预应力连续箱梁。于2001年8月建成通车。

桥型布置图见图1。

图1 ZQ大桥桥型布置图（单位：cm）

上部结构为三向预应力变截面连续箱梁结构。主要病害为箱梁腹板存在斜向裂缝，其中箱梁内开裂情况较箱梁外情况严重，箱梁内腹板裂缝最大宽度δ内=0.30 mm，箱梁外腹板裂缝最大宽度δ外=0.15 mm，腹板裂缝中间宽两端窄，腹板裂缝见图2。箱梁腹板斜向裂缝沿跨中左右两侧对称分布，与水平夹角为15°～50°(见图3)。

图2 箱梁内腹板斜裂缝

图3 箱梁腹板开裂区域示意图

表1 专项检测结果汇总

2 专项检查结果及分析

桥梁专项检测结果见表1。专项检测结果表明:箱梁底板测区混凝土保护层厚度偏薄，对结构钢筋耐久性有轻微影响。其余检测项目评定标度值均为1，表明相应检测项目情况良好。

3 静载试验

ZQ大桥主桥在各试验工况下，结构关键截面的实测应变和变形均小于理论计算值，结构关键部位未发现新的裂缝，既有裂缝宽度变化不大，卸载后结构相对残余变形均小于20%，具体见表2，试验结果表明该桥满足汽车超—20，挂车—120，人群荷载3.5 kN/m2设计荷载的要求。

表2 各工况试验结果

4 动载试验

本次固有频率的识别采用由自谱分析得到，结构竖向一阶频率为0.609 4 Hz，而理论值为0.482 3Hz，实测值大于理论计算值，说明结构实际刚度大于理论刚度，满足设计要求(见图4)。

图4 一阶振型0.482 Hz

进一步将10 km/h，20 km/h，30 km/h跑车试验得到时程曲线，进行自谱分析，其结果如图5所示，结果表明结构竖向一阶频率为0.593 8 Hz，而理论值为0.482 3Hz，实测值大于理论计算值，说明结构实际刚度大于理论刚度。结构自振频率实际值大于理论值，满足相关规范的要求。

图5 ZQ大桥脉动试验频谱曲线

5 桥梁结构承载能力评定

结构抗力和荷载效应修正系数及相关指标如下:承载能力恶化系数ξe取0.073;截面损伤折减系数ξc取0.98;钢筋腐蚀的截面折减系数ξs取1.0;承载力检算系数Z1取1.1;活载影响修正系数 ξq取 1.0。

荷载组合根据桥规(JTJ 021-89，JTJ 023-85)的规定，考虑到广东地区温度的实际情况，结合85规范温度与实际温度效应相差较大，本次检算采用04规范温度，即考虑截面温度梯度影响，三种组合进行截面验算为:

荷载组合Ⅰ:恒载+汽车—超20级;

荷载组合Ⅱ:恒载+汽车—超20级+温度梯度(JTG D60-2004规范模式);

荷载组合Ⅲ:恒载+挂车—120。

本桥采用平面杆系有限元法建立了连续箱梁的二维有限元模型，全桥共有215个节点，214个单元，有限元模型见图6。

图6 主桥有限元模型图

5.1 承载能力极限状态下截面强度验算

1)承载能力极限状态抗弯验算。

由计算可知，荷载组合Ⅱ为关键截面控制荷载组合。

全梁各主要验算截面的强度系数均大于1，截面强度满足要求。荷载组合Ⅱ作用下，全梁各主要验算截面的强度系数均大于1，截面强度满足要求(见表3)。各主要验算截面中，最大正弯矩强度系数最小位于边跨跨中截面，其值为2.08，最大负弯矩强度系数最小位于次边墩墩顶截面处，其值为1.43。

表3 承载能力极限状态下各截面抗弯强度验算结果对照表

2)承载能力极限状态抗剪验算。

关键截面抗剪满足要求(见表4)。

表4 斜截面抗剪强度验算结果对照表

5.2 正常使用极限状态下应力验算

荷载组合Ⅱ作用下，墩顶底板最小压应力为23.5 MPa，箱梁主孔(L=136 m)15号块附近(箱梁腹板开裂区域)下缘正应力为-0.72 MPa，最大主拉应力为-0.91 MPa。箱梁出现主拉应力的区域，腹板也存在斜向裂缝，且主拉应力较大的地方，裂缝宽度也较大。

5.3 承载能力验算主要情况

1)承载能力极限状态，主桥各关键截面抗弯承载能力满足规范要求。各关键截面抗剪承载能力满足规范要求，但富余不多。2)正常使用极限状态。荷载组合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15号块附近(箱梁腹板开裂区域)下缘正应力为-0.72 MPa，最大主拉应力为-0.90 MPa。

6 病害原因分析

1)主桥连续箱梁主要病害为箱梁1/4L～1/2L跨区域的13号～17号块之间腹板存在斜向开裂，箱梁腹板裂缝区域见图4，箱梁内裂缝较箱梁外的裂缝宽，箱梁内最大裂缝宽度 δ=0.30 mm，裂缝宽度6 cm～10 cm，为结构的受力裂缝。

2)经建模计算分析，荷载组合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15号块附近(箱梁腹板开裂区域)最大主拉应力为-0.91 MPa。经过现场检测结果及建模计算分析情况来看，主桥13号～17号块之间腹板出现主拉应力的区域，腹板也存在斜向裂缝，且主拉应力较大的地方，裂缝宽度也较大，表明箱梁腹板裂缝为受力裂缝，箱梁病害出现与主拉应力有关。

3)本桥采用三向预应力体系，而采用竖向预应力体系提供抗剪强度，截面剪力由混凝土、箍筋和竖向预应力筋共同承担。一般来说，施工时结构腹板尺寸和箍筋配筋率较易满足设计要求，而竖向预应力则往往不能达到设计要求，一方面由于本桥主跨跨径为136 m，跨中区域竖向力筋较短，自身损失大，另一方面则是由于构造及施工的原因，竖向预应力的张拉效果不理想，永存竖向预应力会低于设计要求。

4)结构开裂后，应力重分布及箱梁底面开裂后截面刚度变小，会使得病害发展。

a.ZQ大桥主桥在各试验工况下，结构关键截面的实测应变和变形均小于理论计算值，关键部位未发现新的裂缝，既有裂缝宽度变化不大，卸载后结构相对残余变形均小于20%，试验结果表明该桥满足设计荷载的要求。

b.主桥各关键截面抗弯极限承载能力满足规范要求，关键截面抗剪极限承载能力满足规范要求，最大剪力截面安全系数为1.07，富余不多。正常使用状态组合Ⅱ下，下缘最大主拉应力为-0.9 MPa。

7 结语

全面检测评定了该类型桥梁病害产生的原因，为同类型箱梁结构的病害原因分析积累了经验，并且为桥梁的承载能力评定提供参考。