魁星橋是一座多跨20m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁彎坡橋，縱坡6%，橋面全寬13m，橋面凈空為0．5m（防撞護(hù)欄）+12m（車(chē)行道）+0．5m（防撞護(hù)欄）。該橋于1993年7月建成，運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行過(guò)多次定期檢查，并于2003年進(jìn)行過(guò)病害處治。該橋位于重慶市渝中區(qū)交通繁忙地段，橋面行車(chē)道劃分為上2下1， 白天通行以大中型客車(chē)和小型貨車(chē)為主，晚上12：00以后有大型貨車(chē)通行。本文介紹采用現(xiàn)行規(guī)范對(duì)該橋進(jìn)行的全面檢測(cè)與評(píng)定工作，并根據(jù)交通流量調(diào)查，采用混凝土結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法，嘗試對(duì)該橋的疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)。
1、外觀檢查與評(píng)定
1．1上部結(jié)構(gòu)檢查
在2003年曾對(duì)各跨T梁腹板和底板上所有裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封閉修補(bǔ)，2008年再次檢查川中發(fā)現(xiàn)部分跨中已封閉裂縫重新開(kāi)裂，說(shuō)明經(jīng)過(guò)幾年的營(yíng)運(yùn)原有病害有加劇的趨勢(shì)，因此有必要對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)加固。
在每跨T梁L/4 3L/4之間都發(fā)現(xiàn)了大量的新增裂縫，跨中多數(shù)裂縫貫通T梁底板和腹板，深度已超過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度；其余裂縫雖未延伸至底板或翼板，但部分裂縫寬度也已超過(guò)0．2 mm的規(guī)范限值；部分梁端斜向開(kāi)裂；梁體局部出現(xiàn)蜂窩麻面、混凝土剝落、露筋等病害。T梁裂縫情況見(jiàn)表1。
部分T梁梁端與墊石相連。對(duì)該類(lèi)病害進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)T梁梁端與支座墊石被澆筑成一個(gè)整體，該部位的豎向裂縫都是從下向上發(fā)展，裂縫位于梁端支座范圍以外，其原因?yàn)樵摬课坏牧憾嘶炷僚c支座墊石澆筑成一個(gè)整體，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。
1．2 下部結(jié)構(gòu)檢查
橋墩柱破損較少，曾對(duì)部分蓋梁原有裂縫進(jìn)行處治，但蓋梁露筋現(xiàn)象較為普遍。彎道處橋跨設(shè)置有橫向限位塊，部分限位塊外包混凝土破損嚴(yán)重，說(shuō)明限位塊對(duì)T梁的約束起到了明顯作用，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。
支座為板式橡膠支座，部分支座有剪切變形、老化、橫向開(kāi)裂現(xiàn)象。
1．3 其他檢查
采用點(diǎn)滴酚酞酒精溶液的辦法檢測(cè)出T梁、蓋梁、墩柱混凝土碳化深度均為4．0 mm。抽查了4跨24片T梁的混凝土電阻率，平均為96．4 k
·cm（95．0～97．5 k
·cm），在未開(kāi)裂狀況下鋼筋的腐蝕可能性很小（限值為20．0 k
·em）。但存在裂縫的地方，鋼筋有輕微銹蝕。
采用回彈法推算出T梁混凝土為C30，蓋梁、墩柱混凝土為C25，主筋保護(hù)層平均厚度43．4 mm（最小值為38．7 mm），均滿足設(shè)計(jì)要求。
1．4 技術(shù)狀況評(píng)定
依據(jù)CJJ99—2003《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，
并結(jié)合DB50/231-2006《重慶市城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)本橋進(jìn)行了技術(shù)狀況評(píng)估（BCI評(píng)分）。其中橋面系技術(shù)評(píng)分73．0分，評(píng)估等級(jí)為c級(jí)。上部結(jié)構(gòu)由于有5跨的混凝土裂縫超限，因此直接評(píng)定為D級(jí)。下部結(jié)構(gòu)總體評(píng)分為89．8分，等級(jí)評(píng)估為B級(jí)。按照規(guī)范要求，橋梁整體評(píng)價(jià)取各部分評(píng)價(jià)的下限D(zhuǎn)級(jí)。
2、荷載試驗(yàn)
2．1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容
靜載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下，橋梁的受力、變形情況。本橋各加載工況的試驗(yàn)荷載效率系數(shù)叼為0．8O～0．95，滿足規(guī)范0．80<
1．05的要求。
在試驗(yàn)荷載作用下，橋跨測(cè)試截面各工況下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，跨中最大正彎矩正載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0．39～0．64，偏載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0．34～0．58，梁端最大剪應(yīng)力工況應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)為0．44～0．73。卸載后的殘余應(yīng)變均小于20%。
在試驗(yàn)荷載作用下，橋跨跨中實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，正載作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)為0．50～0．81，偏載作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)為0．28～0．46，卸載后殘余變位均小于20%。
以上結(jié)果表明主梁在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，工作狀況良好。
2．2 動(dòng)載試驗(yàn)
動(dòng)載試驗(yàn)的目的是檢測(cè)橋梁的動(dòng)力性能，如頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)等，以便對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力作出全面、客觀的評(píng)價(jià)。
表2為各跨動(dòng)力特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較。表3為實(shí)測(cè)各跨在不同狀況下的沖擊系數(shù)。從動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，主梁的1階豎彎頻率比計(jì)算值大22%，但阻尼比較??；而1階側(cè)彎（橫向）頻率遠(yuǎn)較1階豎彎頻率低，因此橫向振動(dòng)更易發(fā)生，但阻尼比較大（2．23%），衰減較快。橋梁沖擊系數(shù)本身和橋梁固有頻率、車(chē)輛固有頻率、行車(chē)速度等多種因素有關(guān)，這從測(cè)量結(jié)果上有充分的反應(yīng)。本橋?qū)崪y(cè)最大沖擊系數(shù)為0．131，實(shí)測(cè)平均沖擊系數(shù)為0．068，較接近于按1階側(cè)彎頻率計(jì)算的沖擊系數(shù)值0．090。
3、疲勞損傷壽命評(píng)估
3．1疲勞壽命評(píng)估一般思路
在役公路橋梁荷載呈現(xiàn)多級(jí)、變幅、高周期的特點(diǎn)，而混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)是在等幅、重復(fù)應(yīng)力強(qiáng)度的條件下進(jìn)行的，故現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果很難直接模擬實(shí)橋的疲勞應(yīng)力情況，推算實(shí)橋的疲勞壽命需將實(shí)橋多級(jí)變幅應(yīng)力水平和疲勞強(qiáng)度按Miner損傷準(zhǔn)則等效變換為等效等幅應(yīng)力水平、應(yīng)力幅，在現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，推算實(shí)橋的疲勞壽命。
本次評(píng)價(jià)的思路如下：
1）交通流量統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)魁星橋現(xiàn)場(chǎng)通行車(chē)輛的記錄，按照車(chē)型（軸型）不同，統(tǒng)計(jì)出20m以?xún)?nèi)的車(chē)輛間距均值、魁星橋的交通流量、車(chē)型（軸型）分布比例。
2）車(chē)輛荷載分布模擬。通過(guò)對(duì)過(guò)橋車(chē)輛荷載（軸重）按照車(chē)型（軸型）不同進(jìn)行分級(jí)、分布擬合、K-S檢驗(yàn)處理，得出車(chē)輛荷載模型。
3）荷載效應(yīng)分布模型研究。根據(jù)步驟1）、2）得出的統(tǒng)計(jì)資料，在20m實(shí)橋布載計(jì)算多級(jí)荷載作用下的車(chē)輛荷載效應(yīng)，并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、檢驗(yàn)。
4）魁星橋疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。通過(guò)對(duì)魁星橋?qū)崢蚪煌ê奢d、車(chē)輛間距布載，計(jì)算底層鋼筋的應(yīng)力幅、受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力水平，分析出魁星橋的疲勞強(qiáng)度符合GB 50010---2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的疲勞強(qiáng)度要求。
5）變幅重復(fù)應(yīng)力等效變換。視各車(chē)型（軸型）的作用為多級(jí)荷載應(yīng)力，按照Miner線性累計(jì)損傷準(zhǔn)則（變換前后混凝土結(jié)構(gòu)具有相同的損傷度），將多級(jí)車(chē)型應(yīng)力、數(shù)量等效變換為等幅應(yīng)力水平、疲勞強(qiáng)度，以便適用于現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)論。
6）疲勞壽命評(píng)估。根據(jù)既有試驗(yàn)得出的S-N關(guān)系，分別對(duì)受拉區(qū)連續(xù)鋼筋、受拉區(qū)混凝土進(jìn)行疲勞循環(huán)使用次數(shù)估算，從而推算出魁星橋的疲勞壽命。
3．2 車(chē)輛荷載分布模型研究
筆者對(duì)魁星橋進(jìn)行了為期1周的交通流連續(xù)調(diào)查，得到了不同時(shí)段、不同車(chē)型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但由于條件限制，各車(chē)輛重量無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。因此，車(chē)輛重量調(diào)查采用了重慶市高速公路1周的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用重慶地區(qū)各車(chē)型的平均重量來(lái)替代過(guò)橋各型車(chē)輛的平均重量。總體樣本容量為603 855輛
?。ù危?，對(duì)車(chē)輛總軸重的荷載噸位分布進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)車(chē)重總體樣本荷載x近似符合自然對(duì)數(shù)正態(tài)分布，見(jiàn)圖1。
從圖1可以看m，當(dāng)車(chē)軸總重（車(chē)重）自然對(duì)數(shù)取峰值時(shí)即ln（x）=1。907，X=6．72 t時(shí)，荷載分布曲線出現(xiàn)了失真現(xiàn)象，初步分析出x=6．72 t為小型車(chē)與重型車(chē)的分水嶺。本次調(diào)查的數(shù)據(jù)中，小型車(chē)輛數(shù)量龐大，說(shuō)明重慶地區(qū)重車(chē)數(shù)量相對(duì)于小型車(chē)輛不是很大，但是噸位變化很大。
3．3 變幅重復(fù)應(yīng)力的等效變換推導(dǎo)
由Miner線性累積損傷準(zhǔn)則可引出鋼筋在變幅重復(fù)應(yīng)力下的累積損傷度D為：
根據(jù)Miner的線性累積損傷準(zhǔn)則， 當(dāng)
時(shí)，認(rèn)為鋼筋達(dá)到極限損傷度。
設(shè)鋼筋在循環(huán)次數(shù)為
的等效等幅重復(fù)應(yīng)力作用下的疲勞損傷度為D，有：
可得鋼筋在變幅重復(fù)應(yīng)力下的等效等幅重復(fù)應(yīng)力
的表達(dá)式為：
混凝土等效應(yīng)力水平的推導(dǎo)類(lèi)似，在此不再贅述，即
式中，
為等效等幅重復(fù)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，取怫：
次；
為鋼筋第i級(jí)變幅重復(fù)應(yīng)力的應(yīng)力變程（應(yīng)力幅）；
為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線的傾斜角的余切，對(duì)于高強(qiáng)變形、長(zhǎng)期循環(huán)鋼筋取
為混凝土等效等幅重復(fù)應(yīng)力的應(yīng)力水平；
為混凝土標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線的傾斜角的余切，對(duì)C20～C60級(jí)混凝土，取
。
3．4 最底層受拉連續(xù)鋼筋疲勞壽命評(píng)估
根據(jù)文獻(xiàn)【8】的研究成果，鋼筋疲勞壽命和應(yīng)力幅的關(guān)系為：
在混凝土中直徑大于20mm的鋼筋， 值為
，在長(zhǎng)期應(yīng)力循環(huán)作用下，m取值為11。
根據(jù)已建立的荷載分布模型，按照95%分位取值確定的各車(chē)型（軸型）計(jì)算出的多級(jí)、變幅應(yīng)力幅等效處理成等效應(yīng)力幅，按照邊梁、中梁的目前
實(shí)際作用次數(shù)，推算出受彎鋼筋的疲勞使用壽命。推算出邊梁的等效應(yīng)力幅為68．52 MPa，帶人式（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，推算中梁的等效應(yīng)力幅為52．38MPa，疲勞損傷使用年限為170年。
3．5 受拉區(qū)混凝土疲勞壽命評(píng)估
根據(jù)文獻(xiàn)【8】的研究成果，混凝土疲勞壽命和應(yīng)力幅的關(guān)系為：
式中， 為最大應(yīng)力水平；
為最小應(yīng)力水平；
為疲勞破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)。受拉區(qū)混凝土疲勞壽命評(píng)估按照實(shí)際個(gè)車(chē)型（軸型）荷載統(tǒng)計(jì)出的最大、最小應(yīng)力水平推算出受拉區(qū)混凝土的循環(huán)使用次數(shù)。以邊梁梁端受剪截面的應(yīng)力水平為例，則邊梁等效應(yīng)力水平最大值為0．197MPa，最小值為0．068MPa。
根據(jù)式（6），推算出邊梁受剪面混凝土受拉疲勞循環(huán)使用次數(shù)為N=302 210 691，推算出折算年限為57．5年。
采用相同方法，推算中梁的等效最大應(yīng)力水平為0．184MPa，最小應(yīng)力水平為0．080MPa，疲勞損傷使用年限為83年。
4、結(jié)論
通過(guò)對(duì)魁星橋的常規(guī)檢測(cè)和疲勞壽命分析，得到以下結(jié)論：
1）魁星橋自1993年建成通車(chē)以來(lái)，T梁開(kāi)裂現(xiàn)象明顯。橋梁技術(shù)狀況較差。從靜、動(dòng)載試驗(yàn)看，大橋工作狀況良好。
2）根據(jù)實(shí)際交通流量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行的疲勞壽命評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，邊梁的壽命小于中梁，這與裂縫分布情況相吻合，按原設(shè)計(jì)的承載力標(biāo)準(zhǔn)，部分T梁構(gòu)件的疲勞壽命為50多年，即從2043年開(kāi)始將出現(xiàn)大規(guī)模破壞。
本文初次引入疲勞壽命的方法對(duì)魁星橋的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于受交通流調(diào)查時(shí)間、車(chē)輛重量樣本數(shù)量的限制，以及未考慮交通流的時(shí)變性和材料退化的時(shí)變性，因此得到的橋梁壽命結(jié)論比較粗糙，更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步研究。
