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魁星桥的检测评价与疲劳寿命探讨

2013-09-05　来源：维普网

魁星桥是一座多跨20m钢筋混凝土简支T梁弯坡桥，纵坡6%，桥面全宽13m，桥面净空为0．5m（防撞护栏）+12m（车行道）+0．5m（防撞护栏）。该桥于1993年7月建成，运营期间进行过多次定期检查，并于2003年进行过病害处治。该桥位于重庆市渝中区交通繁忙地段，桥面行车道划分为上2下1， 白天通行以大中型客车和小型货车为主，晚上12：00以后有大型货车通行。本文介绍采用现行规范对该桥进行的全面检测与评定工作，并根据交通流量调查，采用混凝土结构疲劳寿命评估方法，尝试对该桥的疲劳寿命进行估计。

　　1、外观检查与评定

　　1．1上部结构检查

　　在2003年曾对各跨T梁腹板和底板上所有裂缝用环氧树脂进行封闭修补，2008年再次检查川中发现部分跨中已封闭裂缝重新开裂，说明经过几年的营运原有病害有加剧的趋势，因此有必要对桥梁进行结构性补强加固。

　　在每跨T梁L/4 3L/4之间都发现了大量的新增裂缝，跨中多数裂缝贯通T梁底板和腹板，深度已超过钢筋保护层厚度；其余裂缝虽未延伸至底板或翼板，但部分裂缝宽度也已超过0．2 mm的规范限值；部分梁端斜向开裂；梁体局部出现蜂窝麻面、混凝土剥落、露筋等病害。T梁裂缝情况见表1。

　　部分T梁梁端与垫石相连。对该类病害进行了详细检查，发现T梁梁端与支座垫石被浇筑成一个整体，该部位的竖向裂缝都是从下向上发展，裂缝位于梁端支座范围以外，其原因为该部位的梁端混凝土与支座垫石浇筑成一个整体，对结构受力不利。

　　1．2 下部结构检查

　　桥墩柱破损较少，曾对部分盖梁原有裂缝进行处治，但盖梁露筋现象较为普遍。弯道处桥跨设置有横向限位块，部分限位块外包混凝土破损严重，说明限位块对T梁的约束起到了明显作用，应及时修复。

　　支座为板式橡胶支座，部分支座有剪切变形、老化、横向开裂现象。

　　1．3 其他检查

　　采用点滴酚酞酒精溶液的办法检测出T梁、盖梁、墩柱混凝土碳化深度均为4．0 mm。抽查了4跨24片T梁的混凝土电阻率，平均为96．4 k ·cm（95．0～97．5 k ·cm），在未开裂状况下钢筋的腐蚀可能性很小（限值为20．0 k ·em）。但存在裂缝的地方，钢筋有轻微锈蚀。

　　采用回弹法推算出T梁混凝土为C30，盖梁、墩柱混凝土为C25，主筋保护层平均厚度43．4 mm（最小值为38．7 mm），均满足设计要求。


　　1．4 技术状况评定

　　依据CJJ99—2003《城市桥梁养护技术规范》，

　　并结合DB50/231-2006《重庆市城市桥梁养护技术规范》，对本桥进行了技术状况评估（BCI评分）。其中桥面系技术评分73．0分，评估等级为c级。上部结构由于有5跨的混凝土裂缝超限，因此直接评定为D级。下部结构总体评分为89．8分，等级评估为B级。按照规范要求，桥梁整体评价取各部分评价的下限D级。

　　2、荷载试验

　　2．1 静载试验内容

　　静载试验的目的是检验桥梁在设计荷载作用下，桥梁的受力、变形情况。本桥各加载工况的试验荷载效率系数叼为0．8O～0．95，满足规范0．80< 1．05的要求。

　　在试验荷载作用下，桥跨测试截面各工况下测点应变校验系数均小于1，跨中最大正弯矩正载应变校验系数为0．39～0．64，偏载应变校验系数为0．34～0．58，梁端最大剪应力工况应变效验系数为0．44～0．73。卸载后的残余应变均小于20%。

　　在试验荷载作用下，桥跨跨中实测挠度校验系数均小于1，正载作用下挠度校验系数为0．50～0．81，偏载作用下挠度校验系数为0．28～0．46，卸载后残余变位均小于20%。

　　以上结果表明主梁在试验荷载作用下处于弹性工作状态，工作状况良好。

　　2．2 动载试验

　　动载试验的目的是检测桥梁的动力性能，如频率、阻尼比、冲击系数等，以便对结构承载能力作出全面、客观的评价。

　　表2为各跨动力特性实测值与理论计算值的比较。表3为实测各跨在不同状况下的冲击系数。从动载试验数据看，主梁的1阶竖弯频率比计算值大22%，但阻尼比较小；而1阶侧弯（横向）频率远较1阶竖弯频率低，因此横向振动更易发生，但阻尼比较大（2．23%），衰减较快。桥梁冲击系数本身和桥梁固有频率、车辆固有频率、行车速度等多种因素有关，这从测量结果上有充分的反应。本桥实测最大冲击系数为0．131，实测平均冲击系数为0．068，较接近于按1阶侧弯频率计算的冲击系数值0．090。

　　3、疲劳损伤寿命评估

　　3．1疲劳寿命评估一般思路

　　在役公路桥梁荷载呈现多级、变幅、高周期的特点，而混凝土结构的疲劳试验是在等幅、重复应力强度的条件下进行的，故现有的试验结果很难直接模拟实桥的疲劳应力情况，推算实桥的疲劳寿命需将实桥多级变幅应力水平和疲劳强度按Miner损伤准则等效变换为等效等幅应力水平、应力幅，在现有试验结果的基础上，推算实桥的疲劳寿命。


　　本次评价的思路如下：

　　1）交通流量统计。通过对魁星桥现场通行车辆的记录，按照车型（轴型）不同，统计出20m以内的车辆间距均值、魁星桥的交通流量、车型（轴型）分布比例。

　　2）车辆荷载分布模拟。通过对过桥车辆荷载（轴重）按照车型（轴型）不同进行分级、分布拟合、K-S检验处理，得出车辆荷载模型。

　　3）荷载效应分布模型研究。根据步骤1）、2）得出的统计资料，在20m实桥布载计算多级荷载作用下的车辆荷载效应，并且进行统计、检验。

　　4）魁星桥疲劳强度验算。通过对魁星桥实桥交通荷载、车辆间距布载，计算底层钢筋的应力幅、受拉区混凝土的应力水平，分析出魁星桥的疲劳强度符合GB 50010---2002《混凝土结构设计规范》要求的疲劳强度要求。

　　5）变幅重复应力等效变换。视各车型（轴型）的作用为多级荷载应力，按照Miner线性累计损伤准则（变换前后混凝土结构具有相同的损伤度），将多级车型应力、数量等效变换为等幅应力水平、疲劳强度，以便适用于现有的试验结论。

　　6）疲劳寿命评估。根据既有试验得出的S-N关系，分别对受拉区连续钢筋、受拉区混凝土进行疲劳循环使用次数估算，从而推算出魁星桥的疲劳寿命。

　　3．2 车辆荷载分布模型研究

　　笔者对魁星桥进行了为期1周的交通流连续调查，得到了不同时段、不同车型的统计数据，但由于条件限制，各车辆重量无法进行实时测量。因此，车辆重量调查采用了重庆市高速公路1周的统计数据，用重庆地区各车型的平均重量来替代过桥各型车辆的平均重量。总体样本容量为603 855辆

　　（次），对车辆总轴重的荷载吨位分布进行拟合，发现车重总体样本荷载x近似符合自然对数正态分布，见图1。


　　从图1可以看m，当车轴总重（车重）自然对数取峰值时即ln（x）=1。907，X=6．72 t时，荷载分布曲线出现了失真现象，初步分析出x=6．72 t为小型车与重型车的分水岭。本次调查的数据中，小型车辆数量庞大，说明重庆地区重车数量相对于小型车辆不是很大，但是吨位变化很大。

　　3．3 变幅重复应力的等效变换推导

　　由Miner线性累积损伤准则可引出钢筋在变幅重复应力下的累积损伤度D为：


　　根据Miner的线性累积损伤准则， 当 时，认为钢筋达到极限损伤度。

　　设钢筋在循环次数为 的等效等幅重复应力作用下的疲劳损伤度为D，有：


　　可得钢筋在变幅重复应力下的等效等幅重复应力 的表达式为：


　　混凝土等效应力水平的推导类似，在此不再赘述，即


　　式中， 为等效等幅重复应力的循环次数，取怫： 次； 为钢筋第i级变幅重复应力的应力变程（应力幅）； 为钢筋标准S-N曲线的倾斜角的余切，对于高强变形、长期循环钢筋取 为混凝土等效等幅重复应力的应力水平； 为混凝土标准S-N曲线的倾斜角的余切，对C20～C60级混凝土，取 。

　　3．4 最底层受拉连续钢筋疲劳寿命评估

　　根据文献【8】的研究成果，钢筋疲劳寿命和应力幅的关系为：


　　在混凝土中直径大于20mm的钢筋， 值为 ，在长期应力循环作用下，m取值为11。

　　根据已建立的荷载分布模型，按照95%分位取值确定的各车型（轴型）计算出的多级、变幅应力幅等效处理成等效应力幅，按照边梁、中梁的目前

　　实际作用次数，推算出受弯钢筋的疲劳使用寿命。推算出边梁的等效应力幅为68．52 MPa，带人式（5），得N=40 809 368。

　　折算年限：

　　n=40 809 368/（0．120 8×52 576 434）=64年。

　　采用相同方法，推算中梁的等效应力幅为52．38MPa，疲劳损伤使用年限为170年。

　　3．5 受拉区混凝土疲劳寿命评估

　　根据文献【8】的研究成果，混凝土疲劳寿命和应力幅的关系为：


　　式中， 为最大应力水平； 为最小应力水平； 为疲劳破坏时的循环次数。受拉区混凝土疲劳寿命评估按照实际个车型（轴型）荷载统计出的最大、最小应力水平推算出受拉区混凝土的循环使用次数。以边梁梁端受剪截面的应力水平为例，则边梁等效应力水平最大值为0．197MPa，最小值为0．068MPa。

　　根据式（6），推算出边梁受剪面混凝土受拉疲劳循环使用次数为N=302 210 691，推算出折算年限为57．5年。

　　采用相同方法，推算中梁的等效最大应力水平为0．184MPa，最小应力水平为0．080MPa，疲劳损伤使用年限为83年。

　　4、结论

　　通过对魁星桥的常规检测和疲劳寿命分析，得到以下结论：

　　1）魁星桥自1993年建成通车以来，T梁开裂现象明显。桥梁技术状况较差。从静、动载试验看，大桥工作状况良好。

　　2）根据实际交通流量统计进行的疲劳寿命评价发现，边梁的寿命小于中梁，这与裂缝分布情况相吻合，按原设计的承载力标准，部分T梁构件的疲劳寿命为50多年，即从2043年开始将出现大规模破坏。

　　本文初次引入疲劳寿命的方法对魁星桥的现状进行评价，由于受交通流调查时间、车辆重量样本数量的限制，以及未考虑交通流的时变性和材料退化的时变性，因此得到的桥梁寿命结论比较粗糙，更准确的评价方法有待进一步研究。

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