基于荷載試驗下舊橋形變性能分析

郝玉峰

（中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，四川 成都 610500 ）

0 引言

舊橋改造工程施工由于其特殊性和復雜性，一般采用荷載試驗和理論分析相結(jié)合的方法驗證舊有橋梁結(jié)構(gòu)承載性能[1-4]。魏瑞芬[5]通過荷載試驗對舊橋加固前后進行研究，結(jié)合理論計算得到舊橋加固前后的整體受力性能。馬奔[6]通過荷載試驗研究舊橋受力性能，結(jié)合橋梁外觀檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)舊橋承載力偏低，提出及時改造的結(jié)論。王俊德[7]等針對某連續(xù)T 梁橋通過靜動載試驗得到該橋受力性能。王麗[8]等為研究某連續(xù)梁橋受力性能，將靜動載試驗結(jié)果與有限元計算相對比，得到該橋的實際受力性能。王祥壽[9]等研究了在橫載和設計活載作用下橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，確定橋梁靜載試驗的主要控制截面，通過有限元模擬與靜載試驗相對比得到主梁與南塔的位移最大點。

本文以巢湖路新橋為例，通過對舊有橋梁的荷載試驗，實測舊有橋梁在三種工況下測點的應變以及撓度，將理論計算值與實測值對比得到應變校驗系數(shù)及撓度校驗系數(shù)，綜合分析判定橋梁的安全性能，保證橋梁使用的可靠性，為類似新橋施工工程提供參考。

1 理論分析

在舊橋上進行施工前，需要評定既有結(jié)構(gòu)是否能承受施工帶來的荷載，通過荷載試驗不僅操作方便，更可以相對準確地反映舊橋結(jié)構(gòu)受力性能[10-11]。通過控制荷載效率處于一定范圍來保證試驗的有效性，荷載效率計算公式如下：

式中：Ss為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應控制截面內(nèi)力、應力或變位的最大計算效應值； S' 為驗算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應力或變位的最不利效應計算值；μ 為通過動力計算并依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60-2004 設計取用的沖擊系數(shù)；ηq為靜力試驗荷載效率，取值范圍為0.95～1.05 之間。

2 工程概況

引江濟淮江淮溝通段巢湖路橋橫跨派河，地處金寨南路橋與青龍橋之間，現(xiàn)因橋梁通航凈跨與凈高不符合Ⅱ級通航尺度標準，需對巢湖路舊橋拆除重建。巢湖路舊橋為5×20m 預制空心板橋，橋面寬33m。巢湖路新橋為（50+135+50）m 下承式連續(xù)梁系桿拱橋，新橋由鋼箱梁和鋼拱圈組成，鋼箱梁現(xiàn)采用倒退式原位支架法自經(jīng)開區(qū)往肥西縣方向順序安裝，鋼管拱采用原位支架法兩側(cè)對稱安裝，跨中合攏，待新橋安裝完成后拆除老橋。巢湖路新舊橋位置關(guān)系圖如圖1 所示。

新橋鋼結(jié)構(gòu)安裝時應在舊橋橋面上搭設支架，根據(jù)支架使用形式不同分為A、B 類，A 類支架為舊橋墩頂處支架，B 類為舊橋各跨跨中支架，鋼箱梁全部安裝焊接完成后，拆除B 類支架，僅通過A 類支架傳遞拱肋安裝產(chǎn)生的荷載。由于舊橋常年使用存在損耗且支架施工時承受較大荷載，故在支架搭設前需通過荷載試驗檢測舊橋?qū)嶋H承載力，并在支架搭設與鋼箱梁安裝過程中對舊橋結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，確保施工安全。

圖1 巢湖路新舊橋位置關(guān)系圖

3 荷載試驗方案

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》對該橋進行荷載試驗，根據(jù)規(guī)范并結(jié)合舊橋?qū)嶋H受力確定試驗控制截面，選取有代表性的經(jīng)開區(qū)向第二跨進行荷載試驗研究，將試驗荷載效率定為0.95，并根據(jù)公式1 計算得到試驗荷載。

3.1 試驗工況及測點布置

本次荷載試驗分三種工況。工況一：220t 汽車吊定點吊裝作業(yè)時產(chǎn)生的荷載和在橋面空載行走荷載；工況二：鋼箱梁合龍后，B 類支架未拆除時，跨中B 類支架施加給舊橋的集中荷載；工況三：拆除B 類支架，100t 汽車吊在鋼箱梁橋面施工時A 類支架施加給舊橋的集中荷載。舊橋測點主要布置在第二跨，在跨中梁底橫向布置5 個應變測點，在橋面上橫向布置5 個撓度測點，在試驗過程中對測點進行測量，如圖2 所示。

圖2 測點布置示意圖

3.2 加載方案

根據(jù)試驗工況本次試驗分三種加載方法：

工況一：采用兩塊路基箱模擬實際施工荷載，通過分級加載方式將170t壓重荷載堆載于跨中處路基箱上，模擬定點作業(yè)試驗；采用一臺220t 汽車吊空載（不帶配重約71t）由經(jīng)開區(qū)向肥西方向通過一孔跨徑，模擬空載行走試驗。

工況二：根據(jù)模擬計算，最不利工況下，支架單根鋼管樁最大反力為70t。在保留試驗有效性的前提下，通過優(yōu)化加載方法，對單根鋼管立柱進行加載。采用重物五級加載170t 的方式，重量分別為32.13t、36.23t、37.71t、37.71t、25.00t。

工況三：同工況二，對單根鋼管立柱進行加載。在支點處分兩級加載70t，分別為 56t 以及14t?，F(xiàn)場加載示意圖如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場加載示意圖

4 試驗結(jié)果分析

對比三種工況，通過理論計算可知，工況一下舊橋結(jié)構(gòu)承受荷載最大，為最不利工況，而五級加載舊橋持荷最大。下文主要對工況一下五級加載時的情況，重點對比分析在跨中位置的應變及撓度的理論值與實測值。

4.1 應變結(jié)果分析

在分級加載過程中，對各測點實測應變值與理論應變值進行對比分析，發(fā)現(xiàn)五級加載時如表1 所示。由表1 可知，各測點總應變值均小于理論應變值，且全過程中跨中截面及附近混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，抗裂性較好；跨中控制截面最大殘余應變?yōu)?.8%，說明結(jié)構(gòu)具有較好的彈性性能，滿足試驗要求；在截面中間位置應變最大，在截面1/4 和3/4 處應變最小；滿載時跨中控制截面下緣測點應變校核系數(shù)取值在0.64～0.72 之間，說明橋梁結(jié)構(gòu)強度滿足試驗要求。

表1 試驗實測應變與理論應變對比分析表

4.2 撓度結(jié)果分析

通過荷載試驗測得跨中控制截面撓度值，可有效反映出橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度。針對控制截面在荷載試驗下取得的實測撓度與理論撓度進行對比，其結(jié)果如表2 所示。各點實測值均小于理論值試驗荷載作用下；跨中控制截面2 號測點處撓度最大，5 號測點撓度最下，均小于規(guī)范限值33.33mm；卸載后跨中截面測點4 的相對殘余撓度最大，小于規(guī)范值20%，結(jié)構(gòu)實際剛度滿足規(guī)范要求；2 號以及4 號測點處不宜優(yōu)先布置支架。

表2 試驗實測撓度與理論撓度對比分析表

5 結(jié)論

在既有橋梁基礎上進行施工，采用荷載試驗的方法可有效反映既有結(jié)構(gòu)在實際工況下的工作性能，以巢湖路舊橋為例，實測三種工況下舊橋?qū)嶋H的應變、撓度同理論值對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在220t 汽車吊定點滿載吊裝作業(yè)時，舊橋應變值及撓度值最大，且實測值均小于理論值。

（2）試驗加載到五級時，跨中最大撓度校驗系數(shù)為0.72，最大應變校驗系數(shù)為0.74，均滿足規(guī)范規(guī)定范圍。殘余應變值以及殘余撓度未超過規(guī)范的20%的要求，舊橋在實際工程中可滿足施工要求。

（3）根據(jù)各測點應變及撓度值變化，建議在實際施工中上部支架放置在截面1/4 或3/4 處，最好布置在測點4 處，盡量避開截面1/2 處。