在桥梁全寿命周期曲线中,极限承载力是一个很重要的指标。与设计承载力相比,若承载力没有下降,其状态可视为健康状态(1-2类桥);若承载力下降幅度<10%,其状态可视为轻病状态(3类桥);若承载力下降幅度>10%,其状态为重病状态(4-5类桥)。本文就来探讨一下桥梁承载力检测评定问题。
一、影响桥梁承载力的三个因素
对于混凝土桥梁而言,桥梁承载力计算时,仅仅与以下因素有关:①截面尺寸;②混凝土强度;③钢筋的位置、面积、强度。桥梁建设及运营期,与设计相比,上述因素有可能发生变化的有:
1、截面尺寸
施工期间形成的截面尺寸差异,运营期间各种因素导致的混凝土表面损伤、缺失。
2、混凝土强度
施工期间形成的混凝土强度差异,运营期间各种因素导致的混凝土强度降低。
3、钢筋
施工期间形成的钢筋位置、面积、强度差异,运营期间各种因素导致的钢筋面积损失。
二、桥梁承载力检测评定
《JTGT J21-2011公路桥梁承载能力检测评定规程》规定:从桥梁承载力计算表达式看,给出了混凝土截面尺寸及折减系数,钢筋面积及折减系数,混凝土强度没有给出折减系数,而是通过恶化系数给出。问题来了:混凝土截面尺寸和钢筋面积,是实测值还是设计值?如果是实测值,那就不需要折减,如果是设计值,那折减系数取值的依据是否充分?恶化系数体现强度折减,取值依据是否充分?
(一)截面尺寸
规程规定,承载能力评定时,要对截面尺寸进行测量。依此观之,承载力计算表达式中混凝土截面尺寸应为实测值。依据截面折减系数条文说明,似乎承载力计算表达式中混凝土截面尺寸又应为设计值。截面折减系数取值过程复杂,且缺乏依据,过于主观。要准确评估桥梁承载能力,必须以准确测量的实测值为依据。
(二)材料强度
规程规定,承载力评定时,混凝土强度要进行实测,钢材强度通过查看资料确定,无法确定时,才取件实测。依此观之,承载力计算表达式中强度应取实测值,但表达式中明确为设计值,通过恶化系数来体现混凝土强度折减。首先,恶化状况评定标度E需要考虑7个因素,都是主观评定,然后加权平均后得到E值,再根据是否干湿交替、是否冻融、是否侵蚀性介质,确定最终的恶化系数,取值缺乏依据。恶化系数取值过程繁琐,且主观性太强,缺乏依据。要准确评估桥梁承载力,应该采用混凝土强度实测值。
不过,我们可以来看看这几项影响因素:
1、干湿交替
干湿交替主要是影响混凝土碳化。
碳化对混凝土和钢筋的影响完全不同。碳化使混凝土强度增加,同时使钢筋失去碱性环境,加速钢筋锈蚀。
2、冻融
混凝土经冻融后强度降低,特别是使用除冰盐后,混凝土表面剥落,较普通冻融严重,同时氯离子加速钢筋锈蚀。冻融目前采用抗冻耐久性指数DF衡量,其定义是试件300次冻融循环后,混凝土动弹性模量与初始动弹性模量之比。而混凝土动弹性模量与强度的关系,目前并无确定结论.
3、侵蚀性介质
侵蚀性介质主要指硫酸盐。硫酸盐与水泥水化产物反应,体积膨胀,使混凝土开裂、剥落,或干湿交替作用下,硫酸盐溶液浓度增加,饱和而结晶,结晶压力使混凝土破坏.抗侵蚀能力目前通过耐蚀系数(干湿循环后强度/初始强度)下降至75%时,最大干湿循环次数来评价,如50次,标记为KS50。
(三)钢筋面积
这里主要讨论锈蚀后的钢筋面积,目前尚无有效无损方法对锈蚀后钢筋进行测量。规程通过钢筋截面折减系数来反映钢筋锈蚀,但取值仍然缺乏依据:根据参考文献数据推算,刚刚发生锈裂时,螺纹钢筋锈层厚度约0.1mm,光圆钢筋锈层厚度约0.15mm;锈胀裂缝宽度达0.6mm时,螺纹钢筋锈层厚度约0.2mm,光圆钢筋锈层厚度约0.3mm。根据参考文献,锈胀裂缝宽度达0.6mm时,结构耐久性已到极限。
三、桥梁承载能力荷载试验评定
当按照上节计算的桥梁承载能力≤荷载效应时,规程规定应采用荷载试验的形式,评定桥梁承载能力。规程规定了4种情况,只要出现1种,即可判定桥梁承载力不满足要求。反之,如果4种情况都没有出现,应该可以判定桥梁承载力满足要求。但规程并没有这么处理,而是要求更改系数,再次进行计算和判定。通过荷载试验能够确定桥梁承载力,这是一个客观数据,满足就是满足,不满足就是不满足,结论应是明确的,修改系数再次计算并不能改变桥梁承载力。
四、结论
(一)影响桥梁承载力的三个因素是构件截面尺寸、材料强度、钢筋位置及面积。
(二)桥梁承载力计算时,构件截面,规程采用的折减系数计算复杂,却无依据,建议直接采用实测值;混凝土强度,规程采用的恶化系数计算复杂,却无依据,建议直接采用实测值;钢筋面积,规程采用的折减系数无依据,建议根据参考文献数据,根据钢筋平均锈层厚度计算截面损失率。
(三)通过荷载试验确定的桥梁承载力,是一个客观数据,是否满足结论应该明确,规程修改系数再次计算的做法,并不能改变桥梁承载力。