提載舊橋承載能力的評(píng)估

中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034

1 引言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，道路荷載等級(jí)不斷提高，大件特種運(yùn)輸車輛也日益增多，大量舊橋由于建成時(shí)間早，荷載標(biāo)準(zhǔn)低，需要在提載條件下對(duì)其承載能力重新進(jìn)行評(píng)估。對(duì)既有橋梁進(jìn)行承載能力評(píng)定的方法大致可分為經(jīng)驗(yàn)法、荷載試驗(yàn)法、設(shè)計(jì)理論法、專家系統(tǒng)評(píng)定法、承載能力的計(jì)算機(jī)有限元模擬、基于動(dòng)力的評(píng)估以及以可靠度理論為基礎(chǔ)的評(píng)估方法等［1］。其中以承載能力的計(jì)算機(jī)有限元模擬和荷載試驗(yàn)法應(yīng)用最為廣泛。本文以某碼頭棧橋?yàn)槔?，介紹提載舊橋的承載能力評(píng)估方法。

2 工程概況

某碼頭工程包括兩個(gè)棧橋，每個(gè)棧橋有4 聯(lián)，總長(zhǎng)180m，跨徑布置為4×7×6m。棧橋立面布置見(jiàn)圖1，平面布置見(jiàn)圖2。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土縱梁+橋面板，梁高1.35m，混凝土強(qiáng)等級(jí)為C35；下部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，截面為0.6m×0.6m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

棧橋于2006 年設(shè)計(jì)建造，原設(shè)計(jì)荷載為總重2575t 的箱梁輪胎搬運(yùn)機(jī)，在廢棄12 年后準(zhǔn)備重新使用，現(xiàn)運(yùn)營(yíng)荷載為總重3694t 的箱梁輪胎搬運(yùn)機(jī)，相比設(shè)計(jì)荷載增加了43%。

圖1 棧橋平面布置

3 承載能力評(píng)估

3.1 缺損及材質(zhì)狀況檢查

棧橋缺損狀況及材質(zhì)狀況檢查結(jié)果按照《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)范》（JTG/T J21-2011）的要求計(jì)算出評(píng)定標(biāo)度，以此為基礎(chǔ)得出承載能力計(jì)算模型的修正系數(shù)，檢查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 缺損及材質(zhì)狀況檢查

3.2 承載能力檢算

3.2.1 檢算原理

在承載能力檢算中引入檢算系數(shù)Z1，承載能力惡化系數(shù)ξe、鋼筋截面折減系數(shù)ξs和配筋混凝士結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)ξc對(duì)結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)進(jìn)行修正，上述系數(shù)取值基于缺損狀況及材質(zhì)狀況檢查結(jié)果，見(jiàn)表2。因設(shè)計(jì)荷活載與運(yùn)營(yíng)活載的輪軸分布基本相同，故不考慮活載影響修正系數(shù)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)檢算公式如下：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，S 為荷載效應(yīng)函數(shù)，R 為抗力效應(yīng)函數(shù)，fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，adc為構(gòu)件混凝士幾何參數(shù)值，ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值。

表2 相關(guān)檢算系數(shù)取值

3.2.2 計(jì)算荷載及工況

計(jì)算荷載包括恒載、活載、風(fēng)荷載、系纜力、制動(dòng)力、船撞力等，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG 60-2015）要求進(jìn)行組合，見(jiàn)表3。

表3 承載能力檢算荷載組合

由于棧橋上行走的輪胎搬運(yùn)機(jī)運(yùn)送箱梁時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏載，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)三種檢算工況：①搬運(yùn)機(jī)不偏載；②搬運(yùn)機(jī)運(yùn)送箱梁偏載8.5m；③搬運(yùn)機(jī)運(yùn)送箱梁偏載13.1m。

3.2.3 檢算結(jié)果

棧橋抗彎承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表4，抗剪承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表5。在現(xiàn)運(yùn)營(yíng)荷載作用下，棧橋承載能力有如下規(guī)律：

（1）跨中截面結(jié)構(gòu)抗彎能力與荷載效應(yīng)比值在1.67～2.12，富余量較大。

（2）工況3 作用下支座附近截面結(jié)構(gòu)抗剪能力比荷載效應(yīng)小8%左右，抗剪能力需進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）工況1 和工況2 作用下支座附近截面結(jié)構(gòu)抗剪能力與荷載效應(yīng)比值在1.02～1.13 之間，富余量較小。

（4）搬運(yùn)機(jī)運(yùn)送箱梁偏載距離越大，單個(gè)棧橋的荷載效應(yīng)越大，結(jié)構(gòu)受力越不利。

表4 結(jié)構(gòu)抗彎承載能力檢算結(jié)果（跨中截面）

表5 結(jié)構(gòu)抗剪承載能力檢算結(jié)果（支座附近截面）

圖2 各工況結(jié)構(gòu)抗剪能力示意圖

3.2.4 荷載試驗(yàn)

工況3 作用下支座附近截面結(jié)構(gòu)抗剪能力比荷載效應(yīng)小8%左右，未超過(guò)20%，為進(jìn)一步驗(yàn)證其承載能力，采用荷載試驗(yàn)方法，引入檢算系數(shù)Z2，對(duì)承載能力計(jì)算模型進(jìn)行修正。

（1）荷載試驗(yàn)效率和工況

荷載試驗(yàn)主要針對(duì)偏載情況下的跨中截面彎矩和支座附近截面剪力進(jìn)行加載，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)承載能力狀況。荷載試驗(yàn)工況和加載效率見(jiàn)表6。

表6 荷載試驗(yàn)工況和加載效率

（2）荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

荷載試驗(yàn)主要結(jié)果見(jiàn)表7，主要結(jié)論如下：

表7 荷載試驗(yàn)結(jié)果

①跨中正彎矩加載時(shí)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.69 之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.50；支座附近截面剪力加載時(shí)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.73 之間；

②最大殘余應(yīng)變和變形率為14%，小于20%；

③加載到滿載83%時(shí)，腹板出現(xiàn)1條裂縫，寬度為0.20mm，繼續(xù)加載至滿載時(shí)裂縫未見(jiàn)繼續(xù)擴(kuò)展，卸載后裂縫寬度實(shí)測(cè)值為0.06mm。加載時(shí)裂縫寬度未超過(guò)規(guī)范限值，且卸載后閉合寬度小于擴(kuò)展寬度2/3。

綜上所述，荷載試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.2.5 承載能力評(píng)定

由荷載試驗(yàn)結(jié)果可以得到檢算系數(shù)Z2，代入承載能力極限狀態(tài)檢算公式可得：

式中檢算系數(shù)Z2應(yīng)由荷載試驗(yàn)應(yīng)變或變形實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)最大值內(nèi)插計(jì)算得出。

表8 引入Z2 后結(jié)構(gòu)抗彎承載能力檢算結(jié)果（跨中截面）

表9 引入Z2 后結(jié)構(gòu)抗剪承載能力檢算結(jié)果（支座附近截面）

本橋荷載試驗(yàn)試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.73，按照《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程》規(guī)定，計(jì)算得到檢算系數(shù)Z2 為1.09。計(jì)算模型修正后的承載能力檢算結(jié)果見(jiàn)表8 和表9，可以看出，引入檢算系數(shù)Z2，棧橋抗彎和抗剪承載能力滿足要求。

綜合承載能力檢算和荷載試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，在提載43%的情況下，棧橋承載能力滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本橋經(jīng)過(guò)承載能力檢算評(píng)估后正常投入使用，后期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)受力性能滿足規(guī)范要求。通過(guò)本項(xiàng)工作，施工方將一座廢棄12年的棧橋合理利用，節(jié)約了施工工期和經(jīng)濟(jì)成本。

（1）既有舊橋在外觀缺損較小，材質(zhì)情況良好的情況下有提高荷載運(yùn)營(yíng)的潛力。

（2）鋼筋混凝土矩形截面梁在提載43%條件下，跨中抗彎承載能力有1.82 倍富余，支座附近抗剪能力能基本滿足要求。

（3）舊橋承載能力檢測(cè)評(píng)估對(duì)于節(jié)約建設(shè)投資有著顯著意義。