维诺格拉多夫公路桥梁的桩结构检测与评估

摘要：以俄罗斯阿穆尔州的维诺格拉多夫桥为研究对象，由于该桥上部结构较轻，桩基础向上凸起，导致梁体产生纵坡。同时桩身受到腐蚀，钢筋，可能会影响结构安全。所以有必要对桥梁进行检测，并利用有限元软件“Midas Civil”对受损的混凝土桩进行模拟，对桥梁的安全性做出评估，并提出了改造建议。其方法具有一定的理论意义和工程实践价值。

关键词：桥梁检测；有限元模型；混凝土腐蚀；桥梁改造；

Abstract: Based on bridge Vinogradov in Amur of Russia. Because of the lighter upper bridge structure, pile foundation raised upward, cause the beam to produce longitudinal. Concrete pile was corrode and reinforcement exposed, could affect the structural safety. Need research on structural reliability. Used the finite element model to was simulated the site of damage. According to the damage and corrosion grading the ultimate bearing capacity of concrete bridge is analyzed and appraised. Advanced reconstruction proposals and future research directions. The result of this paper has certain theoretical meaning and application value in engineering practice.

Key words：Bridge inspection; finite element model; concrete corrosion; bridge reconstruction;

中图分类号:U441+.4文献标志码: A

0引言：

随着运输任务的加重和车流量的猛增,大量桥梁服役年限的提高,在荷载和环境的共同作用下,桥梁的各种各样的病害相继发生,对桥梁的使用安全造成了隐患。重视已建桥梁的健康状况,对其服役状态进行及时评价,对发现的潜在隐患进行分类,制定出相应的应急预案,并采取合理的措施,可以大大降低桥梁病害的发展速度或彻底解决病害。降低在突发条件下对桥梁的损害程度,最大程度地减少损失[1]。

坐落在俄罗斯远东地区阿穆尔州的维诺格拉多夫跨溪小桥，由于冬夏温差较大，桩基础严重变形，并年久失修，混凝土桩受损严重，部分结构受到腐蚀，保护层脱落，钢筋。在这种情况下，阿穆尔州国家公路局委托太平洋国立大学“桥梁与地基基础教研室”对该桥进行检测评估，目的是对该桥进行复核计算，提出相应的改造措施，用以保证行车安全。

1桥梁概况：

维诺格拉多夫公路桥坐落在俄罗斯远东的阿穆尔州，该桥于1985年建成，里程为KM1+420,全长18.27m，结构形式为L=3x6m，行车道宽8.08m，全部采用钢筋混凝土结构。桥梁结构如图1所示。

图1 维诺格拉多夫公路桥简图 （cm）

2检测方法及结果：

2.1检测方法及结果综述

利用“表观检查法”对桥梁进行现场调查，主要针对上部结构和下部结构的损伤程度进行评估。

检测结果显示，桥梁主要有4种破坏形式。2013年太平洋国立大学桥梁与地基基础教研室对该桥进行了检测评估，并记载在研究报告中[2]，其结果如下：检测结果如图2、3、4、5所示

（1）桥面铺装受损，桥面高低不平;

（2）桩基础变形，混凝土桩向上突起，导致梁体产生纵坡;

（3）混凝土道板严重开裂；

（4）钢筋混凝土桩受到腐蚀，混凝土保护层脱落，钢筋。

图2桥梁铺装面受损 图3 凸起的2号桩引起桥梁严重变形

图4混凝土道板开裂 图5桩体受损与钢筋

2.2 混凝土行车道板的结构检测分析结果

根据俄罗斯国家标准GOST22690-88《混凝土无损检测力学方法标准》[3]对公路桥梁行车道板进行检测。混凝土的强度评估依据国家标准GOST18015-86《混凝土的强度检测》[4]进行。混凝土的强度分类以规范2.05.03-84*[5]为标准。混凝土的变异系数范围取0.20-0.25 之间。通过对混凝土行车道板的强度抽样检测,抗压强度范围在Rm=32.4...35.3MPa 小于原混凝土设计强度M400(40MPa)，相对于规范2.05.03-84*,混凝土抗压强度标号Bb=1.31（B30），相当于中国的混凝土强度标号C30。混凝土强度的检测数据说明在不同的桥面路段的抗压强度不同，平均强度为Rm=34.1 MPa；取变异系数为V=0.2 时，混凝土标号约为B22.5 约等于B20（C20）。

2.3混凝土桩的检测结果

检测结果表明桥面宽为8m，下部结构由5个钢筋混凝土桩作为支撑结构。由于桩基础产生变形，钢筋混凝土桩向上位移致使梁体产生较大的纵向坡度，分别为梁1坡度为10.1%，梁2坡度为5.5%，梁3坡度为5.9%。若以水平路面为参照物，梁2总体纵向坡度达到15.6%。检测所得到的坡度数据与俄罗斯桥梁规范标准SNIP2.05.03-84*[3] 差异较大。根据检测结果可以判断，由于桩基础的形变引起向上位移致使梁体倾斜，桥面开裂，整体结构严重变形。测量数据得出2号桩向上凸起约0.55m，由于在水中浸泡，2号桩有50-70cm保护层脱落，钢筋。可以视为该桥的重大安全隐患的主要问题。破损的2号桩如图6所示。

图6 桥梁横截面及破损桩简图（cm）

3.上部结构的恒载

计算桥梁上部结构的荷载作用，主要判断梁体的自重，水泥混凝土盖板自重，同时考虑整平层的重量。复核上部结构的恒载主要是为了计算钢筋混凝土桩的受力做准备，计算结果如表1所示。

表1 恒载每米内的荷载值

结构名称 结构的厚度m 材料的体积重量 kN/m 保险系数 重量的计算值kN/m

梁上混凝土板 0.3 25 1.1 8.25

水泥混凝土盖板 0.08 24 1.5 2.88

现存的荷载强度 11.13

考虑整平层的荷载

1号梁 0.27 18 1.5 7.29

1号梁荷载总合 18.42

2号梁 0.13 18 1.5 3.51

2号梁荷载总合 14.64

3号梁 0.33 18 1.5 0.89

3号梁荷载总合 2.00

4. 混凝土桩的复核计算

从检测结果可以看出2号桩存在着明显的缺陷，判断桩的承重，评估桩的运营状态，保证桥梁的正常使用。2号桩局部受到破坏，混凝土保护层脱落，导致钢筋生锈，桩的矩形截面为30×35cm，水位波动为3-55cm是影响混凝土保护层破坏的主要原因，钢筋型号为12Ø20AII（俄罗斯规范的钢筋型号）。

4.1混凝土桩的计算方法

首先计算上部结构对2号桩的压力影响，然后利用有限元子模型技术进行对受损的2号桩进行模拟，并加载上部结构的恒载和活载的共同作用，通过应力分析对受损的混凝土桩进行评估。采用有限元软件“Midas Civil”建立模型来判断2号桩的应力和位移。其中横梁采用经典的板壳共32个单元，混凝土桩采用45个杆单元进行模拟。利用板壳单元建立模型主要是为了模拟上部结构向混凝土桩传送压力和水平力。

4.2混凝土桩的加载及相关模型参数

对混凝土的加载分别采用2种加载形式，第一种是汽车荷载为71kN的轮重同时加载在梁1和梁2连接处，同时考虑恒载和上部所有结构的自重进行计算。

模型1参数（方法1）：混凝土桩计算长度为L0=4.94m,混凝土面积Ab=696cm，钢筋面积As=30.5cm2，惯性矩Jred=59.7*103cm4,折合面积Ared=905cm2,惯性矩i=8.12cm4,偏心率ec=1.24cm。

第二种则是在考虑上部结构自重的情况下，汽车荷载轮重为71kN的卡车只加载在梁1顶端，同时考虑恒载和上部所有结构的自重，用以计算截面弯矩，轴向力及水平位移。

模型2参数（方法2）：折合惯性矩Jred=88.1*103cm4，混凝土惯性矩Js=48.8*103cm4，钢筋混凝土截面的惯性矩Js=39.3*103cm4，偏心率ec=13.2cm。

4.3有限元模拟结果

根据以上检测数据及模型参数，加载方法1的模拟结果如图7、8所示，加载方法2的模拟结果如有图9、10、11、12。

图7 模型1恒载和活载加载后的轴向力 （tonf）图8 模型1恒载和活载加载后的弯矩 （tonf*m）

图9 模型2恒载和活载加载示意图图10模型2恒载和活载加载后的弯矩（tonf*m）

图11模型2恒载加载后的弯矩图12 模型2恒载和活载加载后的轴向力

图13 模型2恒载和活载作用后的水平位移图14 模型2恒载和活载加载后的平面弯矩

5结果分析

根据有限元软件“Midas Civil”的分析，可以得到以下结果：

模型1：当混凝土桩轴向力N=41tonf时，可以根据文献[5]查表得到，φm=0.73，φ1=0.58，φ=0.65，当混凝土强度为B20时（国内C20）和Rs=2700kgf/cm2 钢筋型号AII（俄罗斯标准型号）。

稳定条件：N=41.0 tonf

强度条件：N=41.0 tonf

模型2：当偏心率ec=M/N=13.2cm时，产生位移如图13所示。

内力矩：M1=Rb*b*x*(h0-x/2)+Rs*As*(h0-as)=20.06 tonf*m

当受损截面h0=28.2cm， as=0.8cm时，轴向力在截面的重心偏约2cm，从重心到受拉应力的距离为13.7cm，e0=15.7cm。则N=38.5*0.157=6.04tonf*m, N=6.04

6结论

维诺格拉多夫公路桥梁在服役28 年后，通过检测及有限元模拟得到以下结论：

1.通过“表观检查法”和试验结果证明混凝土强度为SNIP2.05.03-84*的B20（C20）标号混凝土。

2.根据俄罗斯桥梁规范SNIP2.05.03-84*，该桥的损伤程度可以满足汽车轮重为71kN的荷载标准。

3.桩基础的变形、破损程度和钢筋腐蚀虽然引起桥梁上部结构的整体变形，因此而产生梁体的纵坡，出现这种病害的主要原因是上部结构自重较小，冻胀产生桩基础变形。所以在设计小桥时，应考虑加大上部结构的自重，防止混凝土桩向上产生位移。

4.对于维诺格拉多夫公路桥梁的改造方案应针对该桥的铺装面及对混凝土桩的保护层修复工作加以重视，如果条件允许应对桩结构进行改造维修。

5. 本文运用了“表观检查法”和“有限元法”分别对研究对象进行检测和损伤模拟，该方法可以

非常直观的反映出桥梁的工作状态，其简单和实用性可供桥梁检测人员参考。

参考文献

[1] 李恒坤，桥梁检查在桥梁管养工作中的重要意义《交通世界(建养.机械)》[J]2010年第06期.

[2] Belytsky I.YU.，Zhao Jian 等，维诺格拉多夫公路桥技术评估报告[R] 哈巴罗夫斯克：太平洋国立大学，2013.

[3]俄罗斯交通部公路科学研究院. GOST22690-88 混凝土无损检测力学方法标准[S]莫斯科：交通出版社.2002 年.

[4]俄罗斯交通部公路科学研究院.国家标准GOST18015-86 混凝土的强度检测[S]莫斯科：交通出版社.2002 年.

[5]俄罗斯土木结构中心科学研究院. SNIP 2.05.03-84*桥梁设计规范 [S].莫斯科：交通出版社.2000 年.