設(shè)計資料缺失的橋梁承載力確定

孟屯良

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

設(shè)計資料缺失的橋梁承載力確定

孟屯良

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

對于設(shè)計資料缺失的橋梁，通過結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋配置情況初步確定了橋梁的荷載等級，并對截面驗算結(jié)果與規(guī)范限值進行了比較，初步得出了橋梁試驗荷載，最后通過靜載試驗的方法確定了橋梁的實際承載能力，為橋梁維修養(yǎng)護提供可靠依據(jù)。

橋梁；承載力；荷載

某橋跨徑布置為(5×14)m+(5×14)m+(2×7)m+(3×7)m，橋梁總長為180m，橋面總寬為0.5m(防撞護欄)+7.5m(行車道)+0.5m(防撞護欄)。上部結(jié)構(gòu)14m跨采用鋼筋混凝土簡支T梁，單幅橋共5片梁，7m跨為整體現(xiàn)澆實心板。由于長期養(yǎng)護欠缺，橋面出現(xiàn)沉降等嚴(yán)重病害，直接影響橋梁正常使用，需要了解該橋的實際承載能力并判斷其是否需要加固、維修等。該橋建設(shè)于1970年，由于建成年代較久，相關(guān)設(shè)計、施工資料無法收集。而實現(xiàn)對服役期橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評定最有效、最直接的方法就是橋梁荷載試驗。為檢驗該橋的結(jié)構(gòu)性能及服務(wù)功能，筆者選用5×14m聯(lián)進行結(jié)構(gòu)靜載試驗與評價。

1 荷載試驗

1)試驗?zāi)康?試驗?zāi)康脑谟跈z驗橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際受力狀態(tài)和工作狀態(tài)，評價結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和工作性能，檢驗結(jié)構(gòu)的承載能力是否能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；通過靜力試驗掌握橋梁控制截面受力特性和實際承載能力，說明工程的安全性和可靠性，為橋梁維修養(yǎng)護提供技術(shù)資料[1]。

2)應(yīng)變、撓度測點布置 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元專用分析程序?qū)υ摌蜻M行結(jié)構(gòu)靜力分析，確定橋梁靜載試驗控制斷面取第3跨L/2處(L為跨徑)。①應(yīng)變測點布置。選擇在T梁腹板外側(cè)和鋼筋底緣處布置應(yīng)變測點，沿縱橋向布置于控制斷面。每個斷面各布置34個應(yīng)變(應(yīng)力)測點(不包括溫度補償片)，分別布置于T梁翼緣板下緣、腹板外側(cè)以及鋼筋底緣。在每個測試斷面位置布置一個溫度補償片，用于抵消溫度變化對測試應(yīng)變(應(yīng)力)的影響。②撓度測點布置。撓度測點設(shè)在T梁底面，采用在橋下搭設(shè)測設(shè)支架的方法。在測設(shè)支架上安裝百分表，觀測結(jié)構(gòu)豎向變位。測試斷面沿順橋向布置于0.0L、L/4、L/2、3L/4和1.0L截面。除L/2斷面布置5個撓度測點(各片梁均布設(shè)1個)外，其余各斷面均只在2#梁和3#梁底布置2個撓度測點，各撓度測點均位于T梁腹板下緣。

3)試驗荷載及加載效率 該橋設(shè)計資料缺失，無法獲取設(shè)計荷載信息。在試驗中首先在梁體斷面開槽確定其配筋情況，根據(jù)截面尺寸及鋼筋配置，并結(jié)合其他同年代、同等級橋梁設(shè)計荷載采用情況，初步假定設(shè)計荷載為汽車-15級，掛車-80，然后采用專業(yè)軟件進行截面強度驗算、抗裂驗算、內(nèi)力與位移計算，再將驗算結(jié)果與規(guī)范限值進行對比，確定橋梁實際設(shè)計荷載相當(dāng)于汽車-15級，掛車-80。

為了保證試驗的有效性，根據(jù)各測試截面的內(nèi)力與撓度影響線，按最不利位置加載，在保證各測試截面靜載試驗效率η至少達到0.80以上的條件下，經(jīng)計算確定靜載試驗共需用300kN(車重+荷重)載重汽車4輛。

4)試驗工況及加載位置 按各測試截面的最不利效應(yīng)進行布載，共分為2種試驗荷載工況：①工況1。縱橋向按L/2截面彎矩、撓度最不利位置布載，橫橋向為中載布置；②工況2?？v橋向按L/2截面彎矩、撓度最不利位置布載，橫橋向為偏載布置。

2 靜載試驗

由于橋梁設(shè)計荷載信息缺失，加載荷載是根據(jù)截面驗算結(jié)果確定，因此在加載過程中需加強對梁體各個驗算截面的觀測，判斷橋梁對加載荷載的響應(yīng)。

試驗前對每輛車都嚴(yán)格過磅，記錄下各輛車的實際總重、軸重和軸間距。然后根據(jù)荷載工況進行加載試驗：①對各工況的每一次加載，載重汽車加載到位后，關(guān)閉發(fā)動機并持續(xù)5min以上，待數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后進行記錄采數(shù)，卸載5～10min再進行重復(fù)加載，以便使結(jié)構(gòu)恢復(fù)彈性變形，減小塑性殘余變形；②各工況均采用分級加載，橫橋向按每排一輛試驗車遞增加載，每工況按2級加載；③現(xiàn)場試驗中各工況保證有2個平行試驗，即重復(fù)2次試驗，并在試驗中對重要測點數(shù)據(jù)與理論值及時進行分析比較。

3 試驗結(jié)果及分析

1)分析方法 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力進入第Ⅱ工作階段的特征是彎曲豎向裂縫已形成并開展，中和軸以下大部分混凝土已退出工作，由鋼筋承受拉力，鋼筋應(yīng)力還遠小于其屈服強度，受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力圖形大致是拋物線。而受彎構(gòu)件的荷載-撓度(跨中)關(guān)系曲線是一條接近于直線的曲線。因而，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的第Ⅱ工作階段又可稱為開裂后彈性階段。因此筆者在計算截面應(yīng)變和撓度時均采用開裂截面慣性矩，但實際上并非中和軸以下的混凝土均已退出工作，所以截面的實際應(yīng)變和撓度應(yīng)介于用開裂截面慣性矩和全截面慣性矩計算的應(yīng)變和撓度之間[2]。

2)應(yīng)變與撓度 圖1和圖2分別是工況1荷載作用下和工況2荷載作用下L/2截面底層鋼筋應(yīng)變理論值與實測值比較圖，圖3和圖4分別是工況1荷載作用下和工況2荷載作用下2#梁縱向撓度理論值與實測值比較圖。從圖中可知，在相當(dāng)于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，L/2截面主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)在中載下在0.30～0.46之間，平均值為0.38；在偏載下在0.23～0.59之間，平均值為0.43；以上校驗系數(shù)均在T梁應(yīng)變校驗系數(shù)常值范圍內(nèi)，T梁各測點殘余應(yīng)變較小。L/2截面撓度校驗系數(shù)在中載下在0.23～ 0.31之間，在偏載下在0.17～0.39之間；以上校驗系數(shù)均在T梁撓度校驗系數(shù)常值范圍內(nèi)。

圖1 工況1荷載作用下L/2截面底層鋼筋應(yīng)變理論值與實測值比較圖 圖2 工況2荷載作用下L/2截面底層鋼筋應(yīng)變理論值與實測值比較圖

3)裂縫 在工況1作用下2#主梁跨中截面腹板發(fā)現(xiàn)U型橫向貫穿裂縫，個別部位裂縫寬度達到0.25mm；2#主梁距跨中15cm截面腹板發(fā)現(xiàn)長度為52mm的裂縫，個別部位裂縫寬度達到0.18mm；2#主梁距跨中25cm截面腹板發(fā)現(xiàn)長度為500mm的裂縫，個別部位裂縫寬度達到0.18mm；4#主梁距跨中70cm截面腹板發(fā)現(xiàn)長度為700mm的裂縫，個別部位裂縫寬度達到0.15mm。

在工況2作用下2#主梁距跨中15cm截面腹板處的最大裂縫寬度擴展到0.3mm；2#主梁距跨中25cm截面腹板處的最大裂縫寬度擴展到0.25mm；2#主梁距跨中75cm截面腹板發(fā)現(xiàn)長度為120mm的裂縫，個別部位裂縫寬度達到0.18mm；4#主梁距跨中70cm截面腹板處的最大裂縫寬度擴展到0.17mm。

圖3 工況1荷載作用下2#梁縱向撓度理論值與實測值比較圖 圖4 工況2荷載作用下2#梁縱向撓度理論值與實測值比較圖

各工況試驗荷載作用下裂縫寬度發(fā)展趨勢如圖5和圖6所示。由圖5、圖6可看出，在相當(dāng)于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，L/2截面裂縫寬度在中載下最大裂縫寬度達到0.25mm，在偏載下最大裂縫寬度達到0.3mm，已超過規(guī)范中規(guī)定的裂縫最大寬度容許值0.2mm；表明橋梁已不能滿足使用階段要求。通過各工況試驗荷載作用下裂縫寬度發(fā)展趨勢圖分析，通過該橋的車輛的最大噸位應(yīng)限制在25t(車重+貨重)以下。

圖 5 工況1作用下2#主梁裂縫寬度發(fā)展趨勢 圖6 工況2作用下2#主梁裂縫寬度發(fā)展趨勢

4 結(jié) 語

通過橋梁斷面尺寸及鋼筋布置情況初步確定設(shè)計荷載，然后采用軟件驗算各個截面荷載響應(yīng)情況，并與規(guī)范限值進行比較確定了設(shè)計資料缺失橋梁的設(shè)計荷載等級，并在此基礎(chǔ)上進行荷載試驗，得出了主梁結(jié)構(gòu)在相當(dāng)于設(shè)計荷載的試驗荷載作用下不能滿足使用階段要求，應(yīng)及時進行維護，將過橋車輛總重限制在25t以下，為橋梁運營部門提供了橋梁維修加固以及限載的科學(xué)依據(jù)。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JTJ023-85 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程(報批稿) [S].

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.049

U446.3;U441

A

1673-1409(2012)06-N151-03