基于撓度影響線的橋梁快速評估方法研究

文/樊鋒

1 前言

目前，橋梁承載能力評估方法主要有承載能力檢算和荷載試驗兩種方法，承載能力檢算主要依據(jù)設(shè)計圖紙，結(jié)合橋梁缺損、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)等專項檢測結(jié)果進(jìn)行折減，驗算承載能力是否滿足設(shè)計規(guī)范要求。荷載試驗通過對橋梁結(jié)構(gòu)施加與控制荷載等效的靜態(tài)外荷載，對比實測與理論結(jié)構(gòu)響應(yīng)，評價結(jié)構(gòu)受力性能。

兩種方法各有其優(yōu)缺點，承載能力驗算投入少，但是驗算結(jié)果不一定能準(zhǔn)確反映橋梁結(jié)構(gòu)真實承載能力；荷載試驗是檢驗承載能力最直觀的方法，但是荷載試驗費用高、交通影響大。因此，本文提出一種基于撓度影響線的橋梁快速評估方法，可用于橋梁結(jié)構(gòu)的快速評估。

2 基于撓度影響線的橋梁快速評估方法

在傳統(tǒng)荷載試驗方法評估橋梁結(jié)構(gòu)承載能力過程中，通過對橋梁結(jié)構(gòu)施加與控制荷載等效的靜態(tài)外荷載，測試結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)變響應(yīng)，將其與理論結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比，進(jìn)而評估橋梁結(jié)構(gòu)受力性能。荷載試驗不考慮恒載的作用，只考慮活載的影響，一般是汽車荷載和人群荷載，在彈性階段，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與荷載的變化呈線性關(guān)系，因此可采用實測結(jié)構(gòu)影響線，并在影響線上模擬加載的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力快速評估。

2.1 評估方法基礎(chǔ)

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，簡支梁撓度可由式（1）進(jìn)行計算，連續(xù)梁橋等靜定結(jié)構(gòu)可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)力法轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)再由式（1）計算[1]。

式（1）中，f 為撓度；F 為梁上集中力；l 為簡支梁跨徑；a、b 分別為集中力矩兩端的距離；x 為縱向位置；EI 為抗彎剛度[2]。

結(jié)合荷載試驗校驗系數(shù)計算方法，可得：

式（2）中，η 為校驗系數(shù)，fe為試驗荷 載 作 用下的實測撓度值；fs為試驗荷載作用下的理論撓度值；EI為理論抗彎剛度；E'I'為實際抗彎剛度[3]。由式（2）可知，橋梁結(jié)構(gòu)撓度與其所受荷載呈線性關(guān)系，校驗系數(shù)基本穩(wěn)定。根據(jù)荷載試驗經(jīng)驗，橋梁荷載試驗?zāi)M的是設(shè)計移動荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不同類型的典型荷載試驗案例撓度值隨荷載效率變化見圖1 所示，根據(jù)荷載試驗實測撓度變化可以看出，撓度變化隨荷載效率增加呈線性關(guān)系，因此采用在實測影響線模擬加載進(jìn)行橋梁承載能力評估的方法是可行的。

圖1 典型荷載試驗案例撓度隨荷載效率變化圖

2.2 評估流程

基于實測撓度影響線的橋梁快速評估方法基本流程見圖2 所示，總體上分4 個步驟進(jìn)行：

圖2 快速評估流程

2.2.1 制定試驗方案

按照傳統(tǒng)荷載試驗方案的要求，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)有限元理論分析計算，按照相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)計算結(jié)果選定控制截面，并制定荷載試驗方案，本階段的工作與傳統(tǒng)荷載試驗相同。

2.2.2 實測影響線

根據(jù)荷載試驗方案，在控制截面位置布設(shè)動撓度測點，采用荷載試驗方案中的標(biāo)準(zhǔn)試驗加載車勻速駛過橋面，分別測試不同工況動撓度；根據(jù)動撓度測試結(jié)果進(jìn)行擬合得到撓度擬合曲線，進(jìn)而分析提取不同工況下的實測撓度影響線。橋梁動撓度與擬合影響線見圖3。

圖3 橋梁動撓度與擬合影響線

2.2.3 加載模擬

根據(jù)荷載試驗方案中擬定的加載方案，在實測撓度影響線上進(jìn)行模擬加載（見圖4），由式（3）分析計算得到試驗方案荷載作用下的控制截面撓度值[4]。

圖4 基于影響線的模擬加載示意圖

式（3）中，f 為模擬加載的撓度值；Pi為縱橋向加載車軸載位置集中力；δi為縱橋向加載車軸載位置影響線值。

2.2.4 快速評估

根據(jù)模擬加載計算得到的控制截面撓度值以及與理論值比較得到校驗系數(shù)，通過校驗系數(shù)快速評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.3 新方法優(yōu)點

與傳統(tǒng)荷載試驗相比，基于撓度影響線的橋梁快速評估方法有以下優(yōu)點：

表1 基于撓度影響線的橋梁快速評估方法的優(yōu)點

3 工程應(yīng)用

3.1 橋梁概況

虎門二橋是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中連接廣州和東莞的重要東西向通道，其中大沙水道橋為主跨1200m 雙塔單跨懸索橋，跨徑布置為（360+1200+480）m。主塔為混凝土塔，主梁為整體式鋼箱梁，主纜橫橋向中心間距為42.1m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.8m。大沙水道橋橋梁布置見圖5 所示。

圖5 大沙水道橋橋梁布置圖

3.2 實測撓度影響線

在主梁八分點位置橋面左右幅分別布置動撓度測點（圖6），采用兩輛載重汽車并排勻速駛過橋跨結(jié)構(gòu)（圖7），測試不同位置的動撓度響應(yīng)，1/4、3/8、1/2截面的實測動撓度曲線見圖8 所示。

圖6 動撓度測點布置圖

圖7 動撓度測點布置圖

圖8 實測動撓度

3.3 基于撓度影響線的橋梁快速評估

根據(jù)實測動撓度提取擬合影響線，并依據(jù)荷載試驗方案的加載位置和加載車數(shù)量，在影響線上進(jìn)行模擬加載，以四分之一工況為例，影響線模擬加載見圖9所示。通過模擬加載計算試驗方案荷載作用下的結(jié)構(gòu)撓度值，各工況取左右幅撓度的平均值進(jìn)行評定；通過與理論撓度值進(jìn)行對比，得出撓度校驗系數(shù)。

圖9 四分之一工況模擬加載

3.4 評估結(jié)果對比

本文快速評估方法與傳統(tǒng)荷載試驗方法結(jié)果對比見表2 及圖10 所示。通過對比結(jié)果可以看出，兩者偏差在5%以內(nèi)，說明本文方法準(zhǔn)確性較高，可用于橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的快速評估。

表2 校驗系數(shù)對比

圖10 校驗系數(shù)對比

4 結(jié)語

工程應(yīng)用表明，本文基于撓度影響線的橋梁快速評估方法與傳統(tǒng)荷載試驗方法偏差在5%以內(nèi)，準(zhǔn)確率較高，說明本文方法用于橋梁快速評估是可行的。本文方法所需加載車少、用時短，可應(yīng)用于橋梁健康系統(tǒng)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力快速評定；另外，可針對基于撓度影響線的快速評估進(jìn)行進(jìn)一步研究，制定快速評估標(biāo)準(zhǔn)，必要時可進(jìn)行常規(guī)荷載試驗驗證。