基于靜動載試驗的橋梁承載能力評估研究

傅 莉

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

0 引言

橋梁在交通線路中占有重要地位，是交通線路的大動脈，隨著結構使用壽命增長，大多數公路在役橋梁在多種因素的耦合作用下會出現不同程度的損傷，導致橋梁承載能力和耐久性等性能出現不同程度的降低[1]。根據交通運輸部發(fā)布的《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》[2]中數據顯示（2019年的數據未公布），截止2018年年底我國公路總里程達到484.65萬km，相比上年增加7.31萬km，我國在役的公路橋梁85.15萬座、5 568.59萬m，相比上年增加1.90萬座、342.97萬m，其中特大橋梁5 053座、902.69萬m，大橋98 869座、2 637.04萬m?！?016—2022年中國橋梁管理與養(yǎng)護產業(yè)現狀調查及十三五發(fā)展定位分析報告》中指出，目前我國公路路網中在役橋梁技術等級為三、四類的帶病橋梁高達30%，超過10萬座橋梁為危橋。十二五期間，我國改造危橋1.7萬座/151萬延米。此外，我國在役橋梁老齡化非常嚴重，對比中美30年橋齡的橋梁占比可以總結出，美國橋梁老齡化從18%增長到60%，用了約60年的時間，而中國卻不到30年，因此，在經濟高速發(fā)展期間，我國建成的橋梁具有的特點有：橋梁總量大、使用周期短、安全隱患多，大多數橋梁存在未老先衰，橋梁老齡化的問題比較嚴重。

如今國內外經常使用的在役橋梁承載力評估的方法有：基于橋梁設計規(guī)范的評估方法、橋梁外觀調查的方法、靜動載荷載試驗實測法、專家系統(tǒng)評估方法和基于概率理論的可靠度評估方法[3]。合肥工業(yè)大學任偉新[4-5]團隊基于美國1876年建成的某橋設計資料建立了初始有限元模型并進行了模態(tài)和振型分析，通過外部環(huán)境激勵試驗和模態(tài)參數識別方法得到了該橋的模態(tài)參數。通過該橋實測結果對初始有限元模型進行修正，應用修正后的有限元模型進行荷載組合加載分析，并對該橋結構實際承載力進行了評估和分析。劉洋[6]以某斜拉橋為研究背景，采用響應面方法并增加有模型和無模型預警，全面地進行了根據實時監(jiān)測數據的橋梁結構有限元模型修正，并評估了該橋的承載能力，提出了新的方法。長沙理工大學張建仁[7]團隊基于在役公路橋往往存在超載的現象，對一座在役多年的鋼筋混凝土梁橋進行了實地的承載能力破壞性試驗。把千斤頂當作超載情況下的重車荷載，分析了實橋從開始加載至結構完全破壞整個過程的力學行為，特別是在承載能力達到極限狀態(tài)下的力學性能。壟江烈[8]等基于分析并比較了橋梁在竣工狀態(tài)下的結構基頻與服役若干年后的結構基頻變化，提出了一種新的原始指紋評定方法。張文獻[9]等通過實驗室模型試驗，提出了橋梁的裂縫高度、寬度等多種因素與其結構承載能力的快速評定公式。Hover[10]對某鋼筋混凝土簡支梁做了動力特性方面的試驗，通過實測結構的基頻推導出該結構的動剛度，因此，提出了橋梁承載力與動剛度的回歸公式，并推廣應用于橋梁結構承載力評估。

綜上所述，許多文獻對橋梁承載能力的評估進行了較多的研究，由于在役的公路橋梁受當時的設計理論、較低的荷載標準、技術和管理水平等限制，結構承載能力的標準較低，不能適應日益增長的交通量和超載交通，急需對服役多年的橋梁給出合理并科學的評估方法，因此，本文根據以某準跨徑為13 m、橫向25片空心板、橋面寬40.1 m的三跨簡支板橋為背景橋的靜動載試驗來分析和定量研究橋梁的承載能力，為其他橋梁承載能力的評估提供指導。

1 橋梁承載能力評定方法

1.1 加載效率

依據《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》（CJJT 233—2015）中的規(guī)定，靜力試驗荷載的效率系數ηq宜介于0.95～1.05之間。就某一加載試驗項目而言，試驗荷載加載效率按式（1）所確定的原則等效換算而得：

式中：ηq為靜載試驗荷載加載效率；Ss為位移或內力的最大計算效應值；S為位移或內力的最不利效應計算值；（1+μ）為按規(guī)范計算的沖擊系數。

1.2 校驗系數

橋梁結構的校驗系數按式（2）計算：

式中：Se為實測彈性變位或應變值；Ss為理論計算變位或應變值。

靜力荷載試驗結構校驗系數ξ是一個重要的評定指標。當靜載試驗結構校驗系數小于1時，表明試驗橋梁的實際承載狀況強于理論的狀況。

1.3 相對殘余應變

總變位（或總應變）：

彈性變位（或彈性應變）：

殘余變位（或殘余應變）：

相對殘余變位或應變：

式中：Si為加載前的測試值；SI為加載達到穩(wěn)定時測試值；Su為卸載后達到穩(wěn)定時測試值。

2 靜動載試驗研究

2.1 靜載試驗分析

2.1.1 試驗撓度數據分析

2.1.1.1 跨中截面最大正彎矩對稱加載

在各級試驗荷載作用下，實測某橋1號孔跨中截面各測試截面測點的撓度校驗系數為0.16～0.54之間，表明能夠滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）（以下簡稱“試驗規(guī)程”）及《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》（CJJT 233—2015）（以下簡稱“評定技術規(guī)范”）中滿足“評定規(guī)程”、“試驗規(guī)程”及“評定技術規(guī)范”中小于1.0的要求。

圖1 工況1跨中截面撓度理論值與實測值對比

撓度沿橋面寬度的分布情況如圖1所示，由圖1可見撓度及橫向分布與理論值相比基本一致，通過跨中截面最大正彎矩對稱加載時，分析測點跨中截面的撓度，表明橋梁結構橫向剛度良好且傳力正常，其中理論計算最大撓度3.7 mm，實測最大撓度2 mm。

2.1.1.2 跨中截面最大正彎矩偏心加載

試驗荷載作用下，背景橋跨中截面各空心板的各測試截面測點的撓度校驗系數為0.16～0.54之間，滿足“評定規(guī)程”、“試驗規(guī)程”及“評定技術規(guī)范”中小于1.0的要求。

圖2 工況2跨中截面撓度理論值與實測值比較

根據撓度沿橋面寬度的分布情況如圖2所示，由圖2可見撓度及橫向分布與理論值相比基本一致，通過跨中截面最大正彎矩偏心加載時，分析跨中截面的撓度，表明橋梁結構的橫向剛度良好且傳力較好。

2.1.2 試驗應變數據分析

2.1.2.1 對稱加載

在試驗對稱荷載作用下，背景橋1號孔跨中截面各空心板的測試截面測點的應變校驗系數為0.14～0.40 之間，滿足“評定規(guī)程”、“試驗規(guī)程”及“評定技術規(guī)范”中小于1.0的要求，由此說明試驗荷載作用下該截面橋梁的實際受力狀況要優(yōu)于理論受力狀況。

應變沿橫橋向的分布情況如圖3所示，由圖3可見應變及橫向分布與理論值相比變化趨勢基本一致，通過對稱加載時分析應變數據，表明結構橫向剛度良好且傳力較好。

圖3 工況1跨中截面測點應變理論值與實測值對比

2.1.2.2 偏心加載

試驗偏心荷載作用下，背景橋1號孔跨中截面各測試截面典型測點的應變校驗系數為0.16～0.33之間，滿足小于1.0的要求，由此說明試驗荷載作用下該截面橋梁的實際受力狀況要優(yōu)于理論受力狀況。

圖4 工況2跨中截面測點應變理論與實測值對比

應變沿橫橋向的分布情況如圖4所示，由圖4可見應變及橫向分布與理論值相比基本吻合，通過偏心加載時分析應變數據，表明橋梁結構的橫向剛度較好且傳力較正常。

2.2 動載試驗分析

對背景橋進行有限元分析，離散處理，采用Midas civil空間有限元軟件，有限元模型圖如圖5所示，運用子空間迭代法對背景橋進行模態(tài)分析，計算得到該橋的一階自振頻率如表1所示，有限元計算的振型圖如圖6所示，計算和實測振型結果對比如表2所示，本次動載試驗應用脈動試驗的方法測試背景橋梁結構的自振頻率，頻譜分析見圖7所示。

圖5 背景橋的有限元模型圖

表1 實測頻率和有限元計算頻率對比表

圖6 背景橋一階振型圖

表2 計算振型和實測振型結果對比

圖7 豎向頻譜分析圖

經過分析計算及實測分析，由表1可知，該橋自振頻率實測值為10 Hz，有限元軟件計算頻率約為9.1 Hz，誤差9%，表明兩者之間誤差較小且橋梁結構實際剛度大于計算剛度，滿足工程上精度的要求，本次試驗橋梁的計算振型與實測振型形狀相似程度很高，說明了計算模型的正確性，而且一階豎向振型的阻尼比4.58%，屬于低阻尼振動，符合工程振動的情況，且其阻尼比與國內其他類似結構的阻尼比接近。

3 結語

a）通過計算分析，背景橋實測的撓度和應變校驗系數分別在0.14～0.40和0.16～0.54之間，結構剛度和強度滿足工程上的要求。

b）從試驗結果分析，實測撓度的橫向分布規(guī)律與理論撓度的橫向分布規(guī)律比較吻合，表明橋梁結構的橫向剛度較好且傳力正常。

c）本次試驗橋梁的計算振型與實測振型形狀相似程度很高，說明了計算模型的正確性，一階豎向振型的阻尼比4.58%，屬于低阻尼振動，其阻尼比與國內其他類似結構的阻尼比接近。

d）實測振型與理論值吻合，自振頻率實測值為10 Hz，而有限元軟件計算頻率為9.1 Hz，其兩者的誤差為9%，兩者比值為1.1，說明兩者之間的誤差能滿足工程的需求，同時說明結構實際剛度較大。