常見(jiàn)中小跨混凝土梁橋的恒活載效應(yīng)比例關(guān)系研究

吳海軍，袁光杰，屈浩然，王慶珍，劉東雙

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 401120；3. 重慶市公路局，重慶 401147；4. 重慶沙坪壩交通實(shí)業(yè)總公司，重慶 400030)

0 引 言

在役中小跨橋梁在荷載長(zhǎng)期作用[1]、環(huán)境侵蝕、材料老化等不利因素的共同作用下，將不可避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和抗力衰減。如何保證數(shù)量龐大的中小跨梁橋運(yùn)營(yíng)安全，是橋梁管養(yǎng)部門(mén)面臨的重要難題[2]。為彌補(bǔ)橋梁傳統(tǒng)檢查方法不足，受近年來(lái)大跨度橋梁安全監(jiān)測(cè)實(shí)踐的影響，安全監(jiān)測(cè)在中小跨混凝土梁橋中的應(yīng)用也越來(lái)越多。但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁監(jiān)測(cè)的科學(xué)研究、技術(shù)規(guī)范和工程實(shí)踐主要集中在特大跨徑橋梁領(lǐng)域，對(duì)中小跨徑橋梁安全與安全監(jiān)測(cè)實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)還較少。中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性還是適用性上來(lái)說(shuō)，都不宜直接照搬大跨徑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

鑒于中小跨梁橋與大跨徑梁橋在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的差異，筆者將從橋梁活載效應(yīng)占比這一角度出發(fā)，研究中小橋的恒活載比例關(guān)系，并通過(guò)與大跨徑梁橋恒活載比例進(jìn)行對(duì)比，為中小橋安全監(jiān)測(cè)分析方法的選擇提供相關(guān)依據(jù)。

1 中小跨混凝土梁橋恒活載效應(yīng)

由于中小跨混凝土梁橋其截面形式較多、設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)荷載的演變較頻繁[3-5]，筆者從設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)荷載、截面形式這3個(gè)方面來(lái)探討中小橋的恒活載比例關(guān)系。

1.1 基于2008版通用圖公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)的中小橋恒活載效應(yīng)

為研究基于2008版通用圖公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)的中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取我國(guó)應(yīng)用廣泛的先張法部分預(yù)應(yīng)力空心板[4](1 m寬單板)，跨徑分別為10、13、16、20 m；T梁選取橋?qū)?.5 m，跨徑分別為20、25、30、35 m，按兩車道布置，具體斷面參考文獻(xiàn)[6]。

將文獻(xiàn)[7]中要求的汽車荷載以最不利方式作用在樣本橋梁上，以橫向最不利的板(梁)作為研究對(duì)象建立有限元模型。由于篇幅限制，筆者將選取代表性強(qiáng)的中板(梁)模型來(lái)建模。

基于有限元計(jì)算模型，提取樣本橋梁在跨中位置的恒、活載彎矩值，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)正常使用及承載力計(jì)算時(shí)的荷載組合情況，分別計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)作用組合、承載能力極限組合下活載效應(yīng)占恒活載總效應(yīng)的比例，分別記為η1及η2，具體計(jì)算如式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：φ11、φ12分別為標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)活、恒載效應(yīng)對(duì)應(yīng)系數(shù)(φ11=φ12=1.0)；φ21、φ22分別為承載能力極限組合時(shí)活、恒載效應(yīng)對(duì)應(yīng)系數(shù)(φ21=1.4，φ22=1.2)；MQ1為跨中由活載(汽車荷載)產(chǎn)生的彎矩值；MG為跨中由恒載產(chǎn)生的彎矩值；μ為汽車荷載沖擊系數(shù)。

根據(jù)上述恒活載效應(yīng)計(jì)算方法，計(jì)算樣本橋梁活載占比，結(jié)果如圖1。

圖1 不同跨徑空心板橋和不同跨徑T梁的活載效應(yīng)占比Fig. 1 The ratio of live-load effect of hollow slab bridges and T-beams with different spans

由圖1(a)可知：對(duì)于10、13、16、20 m這4種不同跨徑的簡(jiǎn)支空心板橋，活載效應(yīng)占比隨跨徑增大而逐步減小，近似呈線性關(guān)系。對(duì)于10～20 m的跨徑空心板橋有：η1=37.82%～55.22%；η2=47.38%～67.39%。

由圖1(b)可知：對(duì)于20、25、30、35m這4種不同跨度簡(jiǎn)支T梁，活載效應(yīng)占比也隨跨徑增大而逐步減小，呈近似線性關(guān)系。對(duì)于20～35 m跨徑T梁：η1=33.34%～46.53%；η2=41.10%～57.82%。

綜上所述，不同組合下空心板、T梁活載占比均很高，且隨跨徑增大而逐步減小。

1.2 基于2008版通用圖公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)的中小橋恒活載效應(yīng)

為探討基于2008版通用圖公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)的中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，空心板選取跨徑為10、13、16、20 m，T梁選取跨徑為20、25、30、35、40 m，橋?qū)捑?1.25、12.00、12.75 m這3種；小箱梁選取橋?qū)挒?2 m，跨徑為20、25、30、35、40 m，按兩車道布置，具體斷面圖見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

鑒于文獻(xiàn)[8]中公路 Ⅰ 級(jí)荷載作用在04規(guī)范通用圖上基本都能滿足承載能力要求，同時(shí)考慮到文獻(xiàn)[6]中公路 Ⅰ 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所建造的大量橋梁在新規(guī)范實(shí)施后仍會(huì)長(zhǎng)期使用，筆者分別計(jì)算04、15兩種橋涵通用規(guī)范下公路 Ⅰ 級(jí)荷載效應(yīng)值，其結(jié)果如圖2～4。

圖2 不同跨徑空心板η值Fig. 2 η of hollow slab with different spans

圖3 不同跨徑T梁η值Fig. 3 η of T-beams with different spans

圖4 不同跨徑小箱梁的活載效應(yīng)占比Fig. 4 The ratio of live-load effect of small box girder withdifferent spans

由圖2可知：對(duì)于10、13、16、20 m這4種不同跨徑簡(jiǎn)支空心板橋，活載效應(yīng)占比隨跨徑增大而逐步減小。筆者以11.25 m橋?qū)挒槔?4規(guī)范，計(jì)算跨徑為10～20 m的空心板橋，η1=28.30%～45.88%，η2=37.22%～58.62%；基于15規(guī)范，η1=31.75%～52.90%，η2=41.12%～65.24%。以15規(guī)范為例，相同跨徑不同橋?qū)挼目招陌鍢?，?差別均在1%以內(nèi)。

由圖3可得：對(duì)于20、25、30、35、40 m這5種不同跨徑下的簡(jiǎn)支T梁，活載占比隨跨徑增大而逐步減小。以11.25 m橋?qū)挒槔?，基?4規(guī)范，計(jì)算的跨徑為20～40 m的T梁，η1=27.14%～39.39%，η2=34.37%～50.56%；基于15規(guī)范，η1=27.99%～43.41%，η2=35.33%～54.78%。以15規(guī)范為例，相同跨徑不同橋?qū)挼腡梁，η1差別都在0.38%以內(nèi)。

綜上，活載效應(yīng)占比主要與跨徑有關(guān)，橋面寬度對(duì)活載占比影響很小。

由圖4可知：對(duì)于20、25、30、35、40 m這5種不同跨徑下的小箱梁，活載占比也隨跨徑增大而逐步減小?；?4規(guī)范，計(jì)算跨徑為20～40 m的小箱梁，η1=21.72%～31.19%，η2=27.02%～40.69%；基于15規(guī)范，η1=22.36%～34.73%，η2=27.76%～44.61%。

1.3 不同截面形式中小橋恒活載效應(yīng)

為分析不同截面形式中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取上述橋?qū)挒?2 m的空心板、T梁與小箱梁在各跨徑下的活載占比數(shù)據(jù)，分別比較04、15規(guī)范下不同截面形式橋梁η1關(guān)系，結(jié)果如圖5。

圖5 04、15規(guī)范各跨徑橋梁的活載占比Fig. 5 04 and 15 codes for the ratio of live-load of bridges with different spans

由圖5可知：相同跨徑下空心板、T梁、小箱梁活載占比存在明顯差異，且在04、15規(guī)范下規(guī)律幾乎相同。以15規(guī)范為例，跨徑為20 m空心板、T梁、小箱梁，η1分別為31.19%、43.62%、34.73%；相同跨徑下，T梁活載占比最大，小箱梁次之，空心板最小?？招陌迮c小箱梁活載占比較為接近，且都小于T梁十個(gè)百分點(diǎn)以上。

1.4 不同時(shí)期中小橋恒活載效應(yīng)

對(duì)于研究不同時(shí)期中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取了成渝高速公路上單跨跨徑為10、13、16 m的空心板簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行恒活載比研究，對(duì)同類橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很好參考意義，具體參數(shù)如表1，斷面如圖6。另外選取上述基于2008版通用圖公路Ⅰ、Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)的橋?qū)挿謩e為8.50、11.25 m，跨徑均為10、13、16 m空心板活載占比數(shù)據(jù)。

表1 成渝高速代表性中小跨橋梁Table 1 Chengdu-Chongqing expressway representative small and medium span bridges

圖6 斷面示意(單位:cm)Fig. 6 Sectional view

基于上述已經(jīng)論證了相同跨徑、不同橋?qū)挼目招陌鍢蚧钶d占比差別在1%以內(nèi)，這里將忽略由樣本橋梁在橋?qū)掃x取上不一致的影響。

根據(jù)上述恒活載效應(yīng)計(jì)算方法，筆者計(jì)算了樣本橋梁的活載占比，結(jié)果如圖7。由圖7可知：隨著設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的更新及設(shè)計(jì)理念變化，相同跨徑空心板梁活載效應(yīng)占比逐步降低。從基于舊通用規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)期到2008版通用圖公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)期，各跨徑空心板梁的活載占比平均下降約7.5%；從基于2008版通用圖公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)期到公路Ⅰ級(jí)時(shí)期，各跨徑空心板梁活載占比平均下降約6%。究其原因，這主要是由于車輛增多、車重增加，在橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)安全度要求越來(lái)越高，其結(jié)構(gòu)截面及重量越來(lái)越大，恒載占比不斷提高，進(jìn)而使得活載占比不斷降低。

圖7 不同時(shí)期中小橋的活載占比(空心板)Fig. 7 Live-load ratio of small and medium bridges indifferent periods (hollow slab)

表2 典型大跨徑橋梁的活載效應(yīng)占比Table 2 The ratio of live-load effect of typical long-span bridges

2 大跨徑混凝土梁橋恒活載效應(yīng)

為分析大跨徑梁橋及中小跨梁橋活載效應(yīng)占比差異，筆者選取了幾座具有代表性的連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，其主跨分別為80、100、120、180、230 m，其計(jì)算結(jié)果如表2。由表2可知：對(duì)于大跨徑連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，由于跨徑大，活載效應(yīng)占比較中小橋明顯下降，η1均在10%左右。

3 活載效應(yīng)比例對(duì)安全監(jiān)測(cè)影響

中小跨梁橋在活載響應(yīng)比例上明顯大于大跨徑梁橋，因?yàn)榛钶d比例不同，活載及超載對(duì)結(jié)構(gòu)安全性及損傷影響程度大不相同。大跨徑梁橋活載效應(yīng)占比約為10%，恒載占比在90%左右，活載及超載占比較小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響也較小。由于恒載效應(yīng)占絕大多數(shù)，大跨徑梁橋由結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的恒載效應(yīng)的變化量相對(duì)較為顯著。因此，對(duì)于大跨度梁橋用恒載效應(yīng)的變化量來(lái)評(píng)估橋梁的安全狀態(tài)[9-10]較為可靠，目前已有不少大跨徑梁橋基于此進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估。

中小跨徑梁橋活載效應(yīng)占比可達(dá)50%左右，其恒載效應(yīng)相對(duì)較小，一旦出現(xiàn)明顯活載超載，其結(jié)構(gòu)承受活載比例將顯著增加，結(jié)構(gòu)運(yùn)行期間活載監(jiān)測(cè)值也將較大，因此引起的安全風(fēng)險(xiǎn)也明顯較大跨徑梁橋高。若采用恒載狀態(tài)變化來(lái)評(píng)判中小橋，在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害時(shí)，恒載作用下監(jiān)測(cè)值變化不明顯。對(duì)于中小跨梁橋，即使有些結(jié)構(gòu)在活載作用下出現(xiàn)開(kāi)裂等損傷，但在量值較大活載卸除后的自重狀態(tài)(占比較小)下，結(jié)構(gòu)往往仍處于良好狀態(tài)，因此基于恒載效應(yīng)下監(jiān)測(cè)量值變化不能有效對(duì)中小跨梁橋安全狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。而基于活載響應(yīng)[11]監(jiān)測(cè)值對(duì)中小橋進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)判，由于其活載占比較大、量值較高，對(duì)健康監(jiān)測(cè)及分析評(píng)價(jià)均更具有效性。

綜上可知：中小跨梁橋與大跨徑梁橋在活載效應(yīng)比例差異會(huì)明顯影響基于活載、恒載響應(yīng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警及評(píng)判方法選擇。中小跨梁橋安全監(jiān)測(cè)不宜直接采用目前常用于大跨徑橋梁基于恒載狀態(tài)下監(jiān)測(cè)值變化來(lái)評(píng)價(jià)橋梁狀態(tài)的方法，應(yīng)采用基于活載響應(yīng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期安全狀態(tài)評(píng)估。

4 結(jié) 論

筆者選取多座常見(jiàn)的中小跨混凝土梁橋和大跨徑混凝土梁橋進(jìn)行恒活載比例研究，通過(guò)計(jì)算和對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1)常見(jiàn)的中小跨徑混凝土梁橋活載效應(yīng)占比很高，可達(dá)50%左右，且隨跨徑增大而逐步減?。?/p>

2)相同跨徑不同橋?qū)捴行】缁炷梁?jiǎn)支梁橋，其活載占比差別很小，在1%以內(nèi)；

3)相同跨徑不同截面形式中小跨梁橋活載占比存在明顯差異，T梁活載占比最大，小箱梁次之，空心板最小。其中：空心板與小箱梁活載占比較為接近，且都小于T梁十個(gè)百分點(diǎn)以上；

4)不同時(shí)期、相同跨徑的中小橋活載占比隨著規(guī)范更新、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)更新及設(shè)計(jì)理念變化而減小。這主要是由于隨著車輛增多、車重增加，橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)安全度要求越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)截面及重量越來(lái)越大，恒載占比不斷提高，進(jìn)而使得活載占比不斷降低；

5)常見(jiàn)的大跨徑混凝土梁橋由于跨徑大，活載效應(yīng)占比較中小橋明顯下降，其活載占比均在10%左右，恒載效應(yīng)約為90%；

6)中小跨梁橋宜采用基于活載響應(yīng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期安全狀態(tài)評(píng)估。