卢少利
（山东省滨州公路有限公司，山东 滨州 256600）
我国早期建成投入使用的公路桥梁中，受建设时期社会经济水平、技术水平和思想观念的制约，普遍存在着建设标准和抗灾能力偏低、缺陷、病害和运营疲劳损伤等问题，有相当一部分公路桥梁已不能适应当前交通量迅速增长的需求，不能满足现在和将来社会、经济的发展要求，如何对这些公路桥梁进行受力性能分析和状态评估是一项重点工作。本文以一座运营30多年的桥梁为例，对桥梁的受力性能和状态进行分析与评估。
某公路大桥建于1987年，1989年建成通车，距今已运营35年。该桥跨径布置为由南向北为：11×20m+12×50m+11×20m，共23孔。桥面总宽14m。该桥上部结构为装配式预应力混凝土T梁，桥面简易连续。每孔横向有5片T梁组成，20m跨径T梁高1.45m，50m跨径T梁高2.6m。下部结构桥墩为单排柱式墩，南侧桥台采用单排式桩式台，北侧桥台为柱式桥台，盖梁采用预应力混凝土T型截面盖梁。设计荷载为汽—超20级，挂—120级。桥梁正侧面照如图1所示。
图1 桥梁正侧面照
2.1 桥面铺装层病害
桥面铺装存在的主要病害为：桥面铺装出现纵横向裂缝，以纵向裂缝为主（见图2）。纵向裂缝集中于T梁连接处，而且多出现在由北向南的第2、第3片梁和第3、第4片梁间，横向裂缝主要集中在桥面连续处。另外，桥面存在局部龟裂和坑槽（见图3），伸缩缝局部缺损，止水带损坏严重。
图2 桥面铺装纵向裂缝
图3 桥面铺装坑槽
2.2 上部结构病害
上部结构存在的主要病害为：梁底和端部存在混凝土剥落破损，顶板存在渗水，腹板支点附近存在斜向裂缝（见图4），横隔板接缝处混凝土保护层剥落、钢板锈蚀、连接钢板脱落（见图5）。
图4 腹板斜向裂缝
图5 梁体破损露筋
2.3 下部结构病害
下部结构的立柱外观较好，个别立柱底部存在麻面、坑蚀，需要进行修补。盖梁主要存在混凝土剥落、钢筋外露锈蚀（见图6）。
图6 盖梁钢筋锈蚀
支座主要病害是水浸、老化、防尘罩破损，滑板支座的钢板锈蚀严重，失去滑动能力，部分挡块损坏严重，部分橡胶支座剪切变形明显（见图7）。
图7 支座老化开裂
该桥最初桥面铺装设计采用防水混凝土，边梁处仅有6cm，于2007年重做沥青面层。但是随着超载车辆的增多，2017年该桥桥面铺装又出现大量纵向裂缝，其中2处T梁接缝处破坏，做了局部的粘钢加固处理[1]。2018年，在桥面第6孔和第15孔出现2处较大的空洞，上下通透，并且桥面上有多处纵向裂缝，部分横隔板混凝土脱落、联接钢板破坏严重，部分跨已形成单梁受力的情况。加上伸缩缝止水带破坏，桥下漏水严重，造成滑板支座的钢板锈蚀非常严重，加上所有的支座为第一代橡胶支座，已达到使用寿命。如果不及时采取措施进行维修加固处理，由于该桥是部分预应力混凝土结构，可能会出现裂缝和挠度加大，病害将会迅速发展，严重影响正常运营，特别是超载车辆的通行，存在发生安全事故的风险。对该桥进行技术状况评定，结果将其定为4类桥。
3.1 上部结构病害的成因
从设计层次分析，该桥上部结构的T梁按部分预应力混凝土A类构件设计，预应力度在0.84~0.86之间。通过与同年代同类型的桥梁相比，该桥预应力钢筋用量为其他桥梁的73%，但普通钢筋用量为其他桥梁的109%。从抗裂性和裂缝控制上比较，该桥的承载能力相对偏低一些，但从极限承载能力上比较，基本与同年代同类型的桥梁持平，甚至高一些。但由于当时的设计荷载及技术水平，设计对刚度控制不够严格，依据当时的桥梁设计理念，本着节约材料与资金的原则，桥梁的截面尺寸包括梁高及腹板厚度均较小、支座附近变截面长度不满足目前规范要求，这些原因都会造成桥梁安全储备和整体刚度不足，易引起梁体开裂等病害[2]。特别是桥面铺装设计过于简单，加上近年来超载现象严重，导致桥面铺装破损较快。当然，从养护维修的角度看，部分预应力混凝土结构需要投入更多的维修养护资金，以使桥梁保持良好的工作性能和状态。
3.2 支座病害的成因
虽然2008年起支座被分批分步骤予以更换，但本次检查中发现，除一些滑动支座上下钢板有锈蚀现象之外，部分支座存在局部脱空，老化开裂现象。支座局部脱空主要是支座垫石标高控制不当，支座在桥梁振动作用下位置串动造成；
支座老化开裂主要原因是支座质量较差，橡胶在高温、雨水、荷载疲劳等影响下出现老化、变质、开裂；
另外承压不均，局部受力过大，也会造成胶体开裂。连续梁支座设置的传统方法是在一联的中部墩上设置普通板式橡胶支座，视为固定支座，在远离中墩的桥墩上设置滑动支座，视为活动支座。通常假定，一联梁跨的正中间不受温度影响，此处即为所谓的温度零点。距离温度零点较近的几个墩，即使有温度变化也影响较小，梁体伸缩导致墩顶的位移完全可以由普通橡胶支座的剪切变形来适应。远离温度零点的桥墩，梁体的温度变形量大，只有滑板支座才能胜任，故均设置四氟滑板支座。在该桥桥墩和支座的设计与选择上，采用了“弹性结构”法。将一联桥作为一个整体超静定结构进行分析，计算时采用集成刚度法。视桥墩和支座为串联、各墩之间为并联，用串联和并联的弹簧结构来模拟柔性墩及其支座，逐孔将整联桥的总抗推刚度推算出来，形成集成刚度，之后再计算一联桥各墩的位移和受力。另外对于温度和混凝土收缩引起的墩顶水平力，取决于各墩的刚度和位移量。欲使各墩水平力相等或接近，应该使它们的刚度和位移最接近。在温度作用下，边墩的位移最大，其思路是设法使墩和支座的联合刚度变小，中间墩的位移最小，可设法使它的联合刚度变大。这样，联内的水平力就可以在各墩上近似均匀地分配。而桥墩本身的刚度是由其几何尺寸和材料特性确定的，一般不易改动。那么要改变总体刚度只能改变支座的刚度。因此，通过在各墩上设置不同厚度的支座可以随意调整各墩的刚度，从而可以人为地调整各墩台受力。中墩的支座高度应尽量小一些，其刚度就大，边墩的支座高度大一些，其刚度就小一些。但是弹性结构成立的前提条件是各个支座必须受力可靠，一旦有个别支座损坏，水平力就不能在各墩顶均匀分配，温度作用、混凝土收缩和制动等引起的水平力就会在支座出现破坏的桥跨处集中，从而加重下部结构的负担，引起下部结构的病害和损坏。
3.3 桥面铺装层病害的成因
桥面路面坑槽产生的原因很多，一是施工时压实不足，一种情况是施工时混合料温度太高，沥青老化，粘结力降低，脆性增加，导致压实不够，粘结不牢，在行车荷载作用下形成坑槽；
另一种是混合料温度太低，摊铺不均匀，压实不充分，导致压实度不够形成坑槽。
通过本次检查发现，该桥伸缩缝普遍存在泥土杂物填塞挤死现象，部分伸缩缝存在锚固区混凝土开裂，橡胶止水带破损现象，个别伸缩缝异型钢条变形断裂现象。由于本桥是连接黄河两岸的重要桥梁，运输建筑原材料的车辆较多，桥面上易撒落砂石等杂物。同时由于伸缩缝在更换施工过程中标高控制不好，伸缩缝位置与两侧沥青路面连接不平顺，车辆在此位置会产生跳车现象，对伸缩缝锚固区混凝土及伸缩缝本身产生较大冲击力导致破坏。
3.4 盖梁病害的成因
通过对全桥现状进行调查，首先，全桥共有20m跨径T梁22孔，北岸11孔，南岸11孔，但是北岸的11孔T型梁结构状况普遍差于南岸，主要表现在桥面的纵向裂缝严重，横隔板连接破损较多，可以推断其施工质量存在一定的差别。这与大桥建设历史相符合，当时大桥的建设指挥部设在南岸，南岸的工程质量控制比较严格，质量较好。其次，桥面纵向裂缝多集中在由北向南的第2、第3和第3、第4片梁间的接缝处，说明重车多是由北向南通过大桥，且靠中线行驶，这与山东省公路路面损坏的普遍规律相符。对于按部分预应力A类构件设计的桥梁，在重车作用下允许出现拉应力，在超重车辆通过时甚至会出现裂缝，荷载卸去后裂缝可以自动闭合，但是在超重车辆的反复碾压之下，横隔板连接处的焊接钢板可能出现疲劳破坏，从而导致钢板拉开，混凝土剥落。
根据相关统计，目前重车的载重量普遍在80~100t左右，最重车辆曾经达到230t之多，多数重车的载重量超过规范规定的55t重车标准。因此，超重车辆泛滥是造成该桥病害的主要原因之一。
总之，从目前调查结果来看，该桥的耐久性已严重降低，尤其是水分的侵入可能导致预应力钢束和普通钢筋锈蚀，钢筋锈蚀又会引起混凝土局部破损，更加造成结构承载力的下降，大大缩短桥梁的使用年限，进而严重威胁到桥梁整体安全。
动测法采用一套动态数据采集、放大和分析系统，配合拾振器进行。传感器和放大器采用中国地震局工程力学所研制开发的，其通频带为0.5~100Hz，具有高灵敏度和高分辨率的特点。现场试验，主要通过在桥面顶面布置894-2型拾振器，主要包括在跨中、1/4跨及3/4跨截面，测出结构振动参数，并绘制主要截面的位移和加速度时程曲线。桥梁结构在动力荷载作用下将产生振动，桥梁振动问题影响因素相当复杂。桥梁的动载试验是检测桥梁的动力特性，并据此对桥梁承载力状况和运营状况进行判断的重要手段[3]。桥梁的动态特性是桥梁结构性能的主要指标，该桥的动态特性主要测试其固有频率，通过测量第一阶振型自振频率fm1，并与新建初期的第一阶自振频率或理论计算频率fd1相比，从而判断桥梁所处的技术状态。日本铁道技术研究院Nishimura通过实地测量近1000个桥梁的自振频率，总结得出了根据实测自振频率评定桥梁结构技术状态的评定标准，并引入了状态指标fm1/fd1，根据其范围，将桥梁的上部和下部结构的技术状况划为5个级别，推荐的评定标准如表1所示。
表1 根据实测自振频率的桥梁技术状态的评定标准
本次测试主要采集结构加速度信号，测试时每个测点分别采样，采样频率200Hz。每次采集记录时间不少于30s，拾振器用橡皮泥固定在结构上。20m跨跨中截面竖向传感器对应通道时域曲线图如图8所示，对采集的时域信号进行快速傅立叶分析获得通道的频谱图，如图9所示。
图8 20m跨跨中截面竖向传感器对应通道时域曲线图
图9 20m跨跨中截面竖向传感器对应通道频谱图
获得测点信号的频谱图后，用传递函数法对选择的频率峰值进行参数识别，可以求得第1跨结构的一阶固有频率为6.738Hz。桥梁理论固有频率值为6.913Hz，实测值比理论计算值小，说明目前该桥梁结构的实际刚度小于理论刚度。fm1/fd1=0.974，介于0.9~1.0之间，处于较差状态[4]。
经过对该桥上部结构、盖梁、支座及铺装层的现场调查和分析，主要存在如下问题：
（1）桥面沥青面层龟裂、网裂严重，在T梁连接处出现纵向裂缝，出现裂缝的跨数约占总跨数的40%，桥面连续处均出现横向裂缝，部分跨出现空洞，已影响行车安全。
（2）伸缩缝均需大修，止水带破损较为严重，其中损坏严重的有4道，桥面渗水已严重降低上部结构和下部结构的耐久性，此外伸缩缝的破损也会加大冲击系数。
（3）横隔板企口缝混凝土脱落、钢板外露较多，约占总量的1/3，部分跨连接钢板已断裂、脱落，部分跨已形成单梁受力状态，对结构非常不利。
（4）由于横向联系的破坏，导致T梁悬臂受力，已造成悬臂下部混凝土压碎，急需进行修补处理。
（5）由于桥面渗水，部分支座老化，连接墩顶的滑板支座压死，钢板锈蚀严重，失去滑动能力，需要更换，部分支座向跨内的剪切变形明显，在温度最高的夏季尚且发生向跨内的剪切变形，冬季由于梁体的收缩，剪切变形肯定更大，需要加强观测。
（6）动力性能测试结果表明，T型梁的横向连接破坏后桥面在横桥向的整体刚度降低，加上桥面连续的损坏，也使得桥梁在顺桥向的整体刚度降低，如果桥面横向裂缝进一步加剧、支座剪切变形加大的话，将会使纵桥向水平力不能整联内分配，从而改变了“弹模结构”设计状态，将会导致下部结构的局部破损和破坏。在横向连接破坏较严重的情况下，形成单梁受力状态，该桥20mT梁的最大重车通行能力是45t，50mT梁最大重车通行能力是48t，为确保大桥的安全、畅通，在没有实施加固维修前，建议限制重车的吨位在45t。
（7）结合承载能力和变形能力、动态测试结果，根据桥梁技术状况评定标准，判定该桥设计承载能力的安全度不高，T梁的刚度降低较多（达到10%），已经出现了严重的功能性病害，结构的刚度、稳定性和动力响应不能达到平时交通安全通行的要求，特别是行车时局部振动、冲击过大，车辆和行人有强烈的不安全感，建议对全桥进行维修加固。
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