淺析橋梁改造前的荷載試驗(yàn)及承載能力評(píng)估

王樹(shù)昆 北京市工程管道及橋梁構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的持續(xù)增長(zhǎng)，城市交通量也在不斷的增加，有些城市的橋梁路面寬度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)況的交通需求，因此為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通壓力，對(duì)城市橋梁路面的拓寬改造成為了一種行之有效的方法。改造的最基本要求是既能適應(yīng)現(xiàn)階段的交通壓力，又能滿足橋梁設(shè)計(jì)承載力要求。因此，評(píng)估橋面拓寬后的承載能力是否滿足橋梁原設(shè)計(jì)荷載的要求，就成為了改造設(shè)計(jì)前必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2 工程概況

某寬腹T梁橋上跨道路，與道路交角為69°01′46″，設(shè)計(jì)為斜橋。橋梁斜全長(zhǎng)78.18m、寬26.64m，其中行車(chē)道寬16.0m，兩側(cè)人行道寬各5.0m，欄桿地袱寬0.32m。橋下為4孔，兩中孔為主路，凈寬16.6m，兩邊孔為輔路，凈寬14.7m，主輔路車(chē)道間設(shè)0.7m寬隔離帶。該橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土等截面連續(xù)梁，橋梁縱向?yàn)?孔，計(jì)算跨徑（15.4+2×18.2+15.4）m/sin69°01′46″，橫向由5片寬腹T梁組成，支點(diǎn)處設(shè)有橫梁，T梁高0.75m。下部結(jié)構(gòu)：中墩采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，正八棱體墩柱，邊墩采用重力式橋臺(tái)，支座采用板式橡膠支座。橋下凈空：快車(chē)道凈空≥4.5m，慢車(chē)道凈空≥3.5m。設(shè)計(jì)荷載：汽-20，掛-100；人群350kg/m2。

現(xiàn)計(jì)劃對(duì)該橋橋面布置進(jìn)行改造，減小步道寬度的同時(shí)增加機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度，改造前需對(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)其承載力能否滿足改造要求。現(xiàn)況橋梁立面圖、平面圖、中墩斷面和橋臺(tái)斷面圖及改造后的橋面布置圖如圖1~圖5所示。

圖1 橋梁立面圖

圖3 中墩斷面圖

圖4 橋臺(tái)斷面圖

圖5 改造后的橋面布置圖

3 寬腹T梁橋梁結(jié)構(gòu)分析方法

3.1 經(jīng)典力學(xué)方法

傳統(tǒng)寬腹T梁橋的內(nèi)力計(jì)算方法為經(jīng)典力學(xué)法，基本思路為：劃分單元，引入橫向分配系數(shù)，計(jì)算出單元之間的橫向分配系數(shù)，將荷載分配到每個(gè)縱向單元上，進(jìn)行內(nèi)力、強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算。這種計(jì)算方法較為繁瑣，由于引入大量假設(shè)，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定差別。

3.2 有限元法

應(yīng)用midas civil軟件采用梁格法建立橋梁有限元模型。這里主要考察橋梁的承載能力，考慮兩側(cè)人群荷載的變化，忽略橋面鋪裝的連續(xù)。全橋采用JTG04（RC）梁?jiǎn)卧?，全橋?285個(gè)單元。橋梁上部結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 橋梁有限元模型

4 荷載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工況

本橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-20，掛-100。由于本橋整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，橋梁實(shí)際健康狀況比較接近，并綜合考慮試驗(yàn)期間的導(dǎo)行便利性，因此本試驗(yàn)選取在該橋東側(cè)兩跨進(jìn)行。

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》要求，本橋應(yīng)主要選取兩跨最大正彎矩截面和支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面作為測(cè)試項(xiàng)目。此次靜載試驗(yàn)可分為四個(gè)工況，分別為工況一～四，為保證試驗(yàn)加載的安全，可通過(guò)車(chē)輛的重量和數(shù)量的改變進(jìn)行分級(jí)加載。

在此，本文僅對(duì)工況一、工況二、工況四的位移和應(yīng)力情況，以及工況三的位移情況進(jìn)行綜合分析。

4.2 車(chē)輛布置

根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，計(jì)算等代汽車(chē)荷載、試驗(yàn)車(chē)輛規(guī)格如圖7所示，實(shí)際加載車(chē)輛如表2所示。

表2 實(shí)際加載車(chē)輛表格

本文涉及工況車(chē)輛布置圖如下所示：

a）工況一 第3跨最大正彎矩截面車(chē)輛偏載如圖8所示：

b）工況二 第4跨最大正彎矩截面車(chē)輛偏載如圖9所示：

圖9 工況二加載平面圖

c）工況三 支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面車(chē)輛偏載如圖10所示：

圖10 工況三加載平面圖

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

a）位移測(cè)點(diǎn)：位移測(cè)點(diǎn)位于第3跨及第4跨跨中位置，每片主梁梁底布置2個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，每跨主梁梁底各布置10個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，共20個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，如圖11、圖12。

圖11 2軸～4軸位移測(cè)點(diǎn)布置立面圖

圖12 跨中位移測(cè)點(diǎn)布置圖

b）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)：應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于第3跨及第4跨跨中位置，每片主梁梁底布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每跨主梁梁底各布置5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，共10個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖13。

圖13 跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置立面圖

4.4 結(jié)果分析

a）工況一

工況一采用3輛28噸加載車(chē)進(jìn)行加載，加載現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖14，位移云圖見(jiàn)圖15，位移計(jì)算見(jiàn)表3，位移計(jì)算與是實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖16，跨中應(yīng)變計(jì)算見(jiàn)表4，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖17。

圖14 工況一試驗(yàn)加載實(shí)景

圖15 工況一第3跨跨中位移云圖

表3 工況一第3跨主梁跨中位移表(單位：mm)

圖16 工況一第3跨位移計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

表4 工況一第3跨主梁跨中應(yīng)變表(單位：με)

圖17 工況一第3跨應(yīng)變計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

b）工況二

工況二采用3輛28噸加載車(chē)進(jìn)行加載，加載現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖18，位移云圖和對(duì)比見(jiàn)圖19、圖20，應(yīng)變?cè)茍D和對(duì)比見(jiàn)圖21，位移和應(yīng)變計(jì)算見(jiàn)表5、表6。

圖2 橋梁平面圖

表6 工況二第4跨主梁跨中應(yīng)變表(單位：με)

圖21 工況二第4跨應(yīng)變計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

表5 工況二第4跨主梁跨中位移表(單位：mm)

圖18 工況二試驗(yàn)加載實(shí)景

圖19 工況二第4跨跨中位移云圖

圖20 工況二第4跨位移計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

c）工況三

工況三采用6輛28噸加載車(chē)進(jìn)行加載，加載現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖22，有限元計(jì)算模型的位移云圖如圖23，第三跨位移的計(jì)算值見(jiàn)表7，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)圖24，第四跨位移的計(jì)算值見(jiàn)表8，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)圖25。

圖22 工況三試驗(yàn)加載實(shí)景

圖23 工況三第3跨跨中位移云圖

表7 工況三第3跨主梁跨中位移表(單位：mm)

圖24 工況三第3跨計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

表8 工況三第4跨主梁跨中位移表(單位：mm)

圖25 工況三第4跨計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

d）工況四

工況四采用3輛28噸加載車(chē)進(jìn)行加載，加載現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖26，第三跨中位移云圖見(jiàn)圖27，位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9，位移計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖28，第三跨中應(yīng)變情況見(jiàn)表10，應(yīng)變計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖29。

表1 荷載試驗(yàn)工況匯總表

圖26 工況四試驗(yàn)加載實(shí)景

圖27 工況四第3跨跨中位移云圖

圖29 工況四第3跨應(yīng)變計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

表9 工況四第3跨主梁跨中位移表(單位：mm)

圖28 工況四第3跨位移計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

從計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比可以看出，本橋在荷載作用下實(shí)測(cè)位移變化規(guī)律與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本一致，各加載工況主梁撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，殘余變形均小于規(guī)范要求的20%，表明橋梁整體承載能力滿足原設(shè)計(jì)（汽-20，掛-100）荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 承載能力鑒定

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載力能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》要求，承載能力分析包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

a）結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ζ

其中：

Se——試驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變位或應(yīng)變值；

Ss——試驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算變位或應(yīng)變值。

本次實(shí)測(cè)最大荷載工況撓度校驗(yàn)系數(shù)如表11所示：

表11 校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算表

在原設(shè)計(jì)（汽-20，掛-100）級(jí)等效荷載作用下，橋梁的位移校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明橋梁滿足原設(shè)計(jì)（汽-20，掛-100）荷載承載能力要求。

b）實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的分布曲線分析

從撓度和應(yīng)力（應(yīng)變）實(shí)測(cè)結(jié)果（計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖）上看，實(shí)測(cè)值曲線和計(jì)算值曲線規(guī)律性基本一致，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值表明橋梁承載能力正常。

c）相對(duì)殘余變位

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，相對(duì)殘余變位（或應(yīng)變）按公式（2）計(jì)算。

式中：

S′p——相對(duì)殘余變位（或應(yīng)變）；

Sp——主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)殘余變位（或應(yīng)變）；

St——實(shí)驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)總變位（或總應(yīng)變）；

該橋在各工況下的相對(duì)殘余變位見(jiàn)表12。

表12 位移（應(yīng)變）相對(duì)殘余位表

該橋主要測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位最大值均小于規(guī)范要求的20%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

d）橋梁結(jié)構(gòu)外觀狀況

本橋在試驗(yàn)過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)外觀狀況正常，主梁未出現(xiàn)新增開(kāi)裂及破損，未發(fā)現(xiàn)其他影響橋梁承載能力的現(xiàn)象。

綜上，荷載試驗(yàn)位移校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變形，本橋承載能力滿足原設(shè)計(jì)（汽-20，掛-100）級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求，且橋梁整體受力狀態(tài)基本正常。

5 結(jié)論

a）本橋荷載試驗(yàn)各加載工況，主梁撓度及應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，殘余變形均小于規(guī)范要求的20%，表明橋梁整體承載能力滿足原設(shè)計(jì)（汽-20，掛-100）荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。在荷載試驗(yàn)過(guò)程中，主梁未出現(xiàn)新增開(kāi)裂及破損，未發(fā)現(xiàn)其他影響橋梁承載能力的現(xiàn)象。

b）正確的計(jì)算模型是評(píng)定橋梁承載能力的關(guān)鍵，有限元法作為橋梁結(jié)構(gòu)彈性空間分析方法，較傳統(tǒng)計(jì)算方法更能方便、準(zhǔn)確地反映橋梁承載能力。

c）結(jié)合T梁受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)Midas Civil軟件的有限元模擬與靜力荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，應(yīng)用梁格法建模的方法，能較好的模擬斜交T型梁橋。

d）以有限元理論分析和靜力荷載試驗(yàn)相結(jié)合的方法能較為全面的評(píng)定橋梁的承載能力，可為同類(lèi)橋梁計(jì)算分析及待改造橋梁的承載能力評(píng)定提供參考。