位山攔河閘公路橋靜動(dòng)載試驗(yàn)

劉瑞銀，劉 璐

（山東黃河河務(wù)局東平湖管理局，山東 泰安 271000）

山東位山攔河閘公路橋上部結(jié)構(gòu)為16 跨混凝土簡支∏型梁橋，單跨11 m，主橋全長176 m，橋面寬8.5 m，下部橋墩為兩頭帶圓弧端的矩形墩，并采用矩形實(shí)體式橋臺(tái)。該橋于上世紀(jì)50年代投入使用，一直作為溝通兩岸的交通主要結(jié)構(gòu)物。該橋緊鄰黃河浮橋，是由南向北通過黃河的必經(jīng)之路，承載著主干道作用，過往超高超重車輛較多。由于該橋設(shè)計(jì)資料已丟失，加上年久失修，在試驗(yàn)之前已經(jīng)被評(píng)定為危橋，為進(jìn)一步判斷是否能承受預(yù)計(jì)的荷載，對(duì)該橋進(jìn)行全面檢測尤為必要。檢測主要包括：靜載試驗(yàn)檢測和動(dòng)載試驗(yàn)檢測。其中靜載荷載試驗(yàn)主要檢驗(yàn)主梁結(jié)構(gòu)最大正彎矩截面正截面強(qiáng)度和最大撓度控制截面豎向剛度；動(dòng)載荷載試驗(yàn)主要對(duì)結(jié)構(gòu)振型和結(jié)構(gòu)固有頻率的測定，并計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)的最大振幅值與阻尼比，以及汽車不同運(yùn)行速度時(shí)的沖擊系數(shù)。

1 橋梁承載能力初步評(píng)定

首先對(duì)橋梁病害位置和程度進(jìn)行調(diào)查，包括必要的外觀檢測：表觀缺陷檢查、混凝土強(qiáng)度檢測、碳化深度檢測、鋼筋銹蝕檢測、鋼筋保護(hù)層厚度檢測。

由于該橋設(shè)計(jì)資料不詳，無法確定設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該橋修建年代并綜合考慮，假定設(shè)計(jì)荷載為汽車-15 級(jí)?？紤]到當(dāng)前橋梁實(shí)際承受的交通荷載較大，最后按照 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-1985）對(duì)汽車-15 級(jí)荷載進(jìn)行驗(yàn)算，并按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）進(jìn)行建模，對(duì)公路-I 級(jí)荷載進(jìn)行驗(yàn)算。

采用同濟(jì)大學(xué)的Dr.Bridge 建立的平面桿系模型的分析結(jié)果作為該橋承載能力初步判定的依據(jù)。該模型采用常規(guī)的位移法，進(jìn)而采用增量理論考慮施工加載，逐步推進(jìn)獲得最終結(jié)構(gòu)效應(yīng)和各控制斷面在恒載、活載作用下的設(shè)計(jì)內(nèi)力，這為掌握該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力性能及后繼荷載試驗(yàn)提供依據(jù)。該橋平面桿系單元的劃分考慮到簡支梁，分為14個(gè)單元，15個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)簡支梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算復(fù)核的主要內(nèi)容包括跨中截面的抗彎強(qiáng)度和支點(diǎn)截面的抗剪強(qiáng)度復(fù)核。各截面的抗彎強(qiáng)度與其承受的最不利極限組合內(nèi)力相比較可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)在汽車-15 級(jí)使用階段荷載組合作用下，各截面完全滿足抗彎承載能力極限狀態(tài)的要求，并且具有一定的安全儲(chǔ)備。但當(dāng)結(jié)構(gòu)在公路-I 級(jí)使用階段荷載組合作用下，各截面不完全滿足抗彎承載能力極限狀態(tài)的要求。

混凝土、箍筋和彎起鋼筋共同承擔(dān)的剪力為329.958 kN。當(dāng)結(jié)構(gòu)在汽車-15 級(jí)使用階段荷載組合作用下，產(chǎn)生的最大剪力組合設(shè)計(jì)值為265.1 kN，斜截面的抗剪承載力滿足要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)在公路-I 級(jí)使用階段荷載組合作用下，產(chǎn)生的最大剪力組合設(shè)計(jì)值為346.2 kN，斜截面抗剪承載力不滿足要求。因此，該橋滿足85 規(guī)范規(guī)定的汽車-15 級(jí)設(shè)計(jì)荷載要求，但不滿足現(xiàn)行規(guī)范2004 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公路-I 級(jí)荷載要求。

2 靜載試驗(yàn)分析

橋梁靜載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參量進(jìn)行測試，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能及使用性能作出評(píng)價(jià)?；谇笆鰳蛄撼休d力評(píng)定驗(yàn)算結(jié)果，該橋不滿足公路-I 級(jí)荷載要求，因此本次荷載試驗(yàn)采用2 輛重約13 t 的三軸載重汽車加載模擬汽車-15 級(jí)荷載，車輛參數(shù)見表1。滿載時(shí)兩車的試驗(yàn)效率系數(shù)為1.01，符合規(guī)范0.85～1.05 的要求。試驗(yàn)采用對(duì)稱布置，以等效邊梁跨中最大正彎矩為原則進(jìn)行等效車輛加載，試驗(yàn)時(shí)主要量測各主梁的應(yīng)變和撓度。經(jīng)橋梁外觀檢測發(fā)現(xiàn)，第6 孔損壞較嚴(yán)重，作為試驗(yàn)孔具有代表性。

表1 加載車輛參數(shù)

橋梁在試驗(yàn)靜荷載作用下，試驗(yàn)橋跨的跨中截面分級(jí)加載撓度值見表2。校驗(yàn)系數(shù)為試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測值與理論計(jì)算值的比值，是結(jié)構(gòu)評(píng)定的重要指標(biāo)?？梢娫谠囼?yàn)荷載作用下該橋撓度的校驗(yàn)系數(shù)均在1 以上，超出常規(guī)混凝土梁橋的校驗(yàn)系數(shù)0.70～1.0 的范圍，說明結(jié)構(gòu)剛度不能滿足要求。

表2 跨中截面撓度殘值分析表 mm

主梁應(yīng)變測點(diǎn)全部布置于跨中斷面，比如在試驗(yàn)荷載作用下，西側(cè)跨中截面混凝土應(yīng)變的分級(jí)加載值見表3?？梢钥闯觯鱾?cè)腹板的應(yīng)變值多為壓應(yīng)變，與正常情況極其不相符，可能是由于腹板在荷載作用下產(chǎn)生了不規(guī)則的變形（如整個(gè)上部結(jié)構(gòu)向西側(cè)傾斜扭曲），這種變形會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的使用性能。

表3 西側(cè)測點(diǎn)分級(jí)加載應(yīng)變值及相對(duì)殘余應(yīng)變值表

3 動(dòng)載試驗(yàn)分析

動(dòng)載試驗(yàn)是測定橋梁固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參量，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、行車性能。這里完成了以下兩方面內(nèi)容：1）脈動(dòng)試驗(yàn)：在橋面的特定位置設(shè)置加速度傳感器，獲得主梁的振動(dòng)頻率，進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布情況。2）無障礙行車試驗(yàn)：采用1輛重130 kN 的翻斗車勻速駛過主橋，行駛速度分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h，每種車速情況下進(jìn)行1 次往返跑車試驗(yàn)。在橋面上進(jìn)行拾振，記錄結(jié)構(gòu)在不同車速下的振動(dòng)響應(yīng)。采用測定結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)撓度的方法可得到車輛對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，建立沖擊系數(shù)與車速的關(guān)系曲線，可以獲得最不利車速。

通過利用放置在試驗(yàn)孔橋面上的速度傳感器測得橋梁天然脈動(dòng)信號(hào)時(shí)域曲線，對(duì)采集到的時(shí)程曲線波形進(jìn)行分析得到，山東位山攔河閘公路橋1 階固有頻率為8.35 Hz。理論計(jì)算所得的主梁自振頻率7.72 Hz（未考慮橋面鋪裝作用，僅計(jì)算主梁的自振頻率），實(shí)測自振頻率與理論自振頻率比值為1.08，接近《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中規(guī)定實(shí)測自振頻率與理論自振頻率比值大于1.1 為良好狀態(tài)，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體性良好。結(jié)構(gòu)的實(shí)測阻尼比4.87%，而橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%，實(shí)測阻尼比介于橋梁常見阻尼比范圍內(nèi)。

為測定橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，車輛以不同的速度駛過橋梁，逐次記錄跨中截面的撓度時(shí)程曲線。一輛13 t 重的實(shí)驗(yàn)車輛分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h時(shí)速通過橋面時(shí)，實(shí)測沖擊系數(shù)分別為1.32，1.38 和1.44。沖擊系數(shù)隨車速的增大而增大。該橋沖擊系數(shù)較大，表明該橋具有較大振動(dòng)，橋面不平整是主要因素。

4 結(jié) 論

根據(jù)綜合分析結(jié)果，主梁跨中斷面的抗彎承載力、斜截面抗剪能力和豎向剛度均能夠滿足汽車-15級(jí)荷載的設(shè)計(jì)要求，不能滿足公路-I 級(jí)荷載的設(shè)計(jì)和使用要求。該橋橋面破損，主梁受損嚴(yán)重，墩臺(tái)工作狀態(tài)不佳，加上該橋年久失修，漏水嚴(yán)重，橋梁耐久性不足，存在嚴(yán)重的安全隱患。為保證交通安全，鑒于該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低，已不能滿足日益增長的交通量及重交通的使用要求，存在安全隱患，建議重建。

如不能及時(shí)重建，在臨時(shí)通車期間，為保證安全，應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施：1）應(yīng)限重通行，限重的車輛噸位為8 t；2）應(yīng)對(duì)過往的車輛限速，車速不超過20 km/h；3）拆除原有的橋面鋪裝，加鋪15×15 cm 的直徑12 mm 的橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)，重新澆注混凝土橋面。4）油毛氈支座失效，建議更換為橡膠支座。