無資料舊橋重型交通車輛安全評估檢測研究

劉 輝

(中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 前言

1.1 工程背景

某待安全評估橋梁是一座無法找到設計及竣工資料的4跨簡支橋，現(xiàn)場實測各跨橋長均為16 m，橋面寬度8 m，主梁為現(xiàn)澆T梁，橋頭銘牌顯示該橋修建于1993年。該橋的立面圖和橫斷面圖如圖1所示。

圖1 橋梁示意(單位:cm)

1.2 試驗目的

由于工程建設的需要，該橋計劃需要通行包括泥頭車、平板車等在內的重型交通車輛。但是該橋在其使用期間并沒有進行相關檢測，目前的安全狀況尚不明確。因此，需要準確地對該橋在擬定的通行荷載標準下的結構安全性進行評估。

1.3 重型車輛通行需求

該橋擬通行工況為:(1)100 t平板車靠邊正常速度獨立通行。(2)100 t平板車沿中線正常速度獨立通行。(3)40 t泥頭車靠邊正常速度通行、15 t空載泥頭車正常速度回程相遇。

1.4 安全評估內容及流程[1-2]

對該橋在擬定的通行荷載標準下的結構安全評估按以下流程:(1)理論分析。通過理論分析初步判斷通行可行性。(2)常規(guī)檢查及混凝土強度檢測。通過對主體結構進行外觀檢查，初步判斷各部件功能是否完善有效；通過混凝土強度檢測了解其混凝土性能。(3)靜動載試驗。在使用荷載作用下的工作狀態(tài)是否處于彈性工作范圍，然后對其結構性能及實際承載能力做出評估，以評定該橋能否滿足正常使用。

2 理論分析

2.1 分析思路

(1)經(jīng)過現(xiàn)場調查該橋的建造信息，地理位置及路線情況，該橋原設計荷載標準為《89橋規(guī)》中的“汽-20、掛-100”荷載等級。計算舊橋各T梁在原設計荷載標準(汽-20、掛-100)對應工況下的最不利荷載值(跨中彎矩)[3]。

(2)計算各T梁對應實際工況擬定的重型車通行下的最不利荷載值(跨中彎矩)，對比分析其與原設計荷載標準下最不利荷載值(跨中彎矩)的關系，以理論計算對比的方式確定該橋是否安全[4]。

(3)在確保橋梁試驗安全的前提下，通過采用等效彎矩的方法，擬定加載車輛試驗荷載的大小及位置，合理制定試驗方案，得出各T梁在試驗荷載下的荷載效應[5]。

2.2 加載說明[6]

利用有限元計算軟件建立基于梁單元的有限元橋梁模型以后，在橋梁模型上添加車道荷載。其中，荷載采用《89 橋規(guī)》汽-20、《89 橋規(guī)》掛-100，另外100 t平板車、物料車的荷載情況分別如圖2～圖3所示，人群荷載為3.5 kN/m2。汽車荷載的沖擊系數(shù)根據(jù)《89橋規(guī)》計算得到。

圖2 平板車加載示意(單位:m、kN)

圖3 泥頭車加載示意(單位:m、kN)

2.3 理論分析驗證數(shù)據(jù)[7-8]

根據(jù)簡支橋計算理論，邊梁為受力最不利，為計算控制梁，對應不同荷載工況下的計算結果如表1所示。

表1 邊梁在各荷載工況下荷載效應

從表1數(shù)據(jù)可以看出，該橋的邊梁的設計彎矩由《89橋規(guī)》的掛車－100荷載等級所控制，為723.1 kN·m。擬通行荷載工況1下的彎矩值大于原設計彎矩值，因此該擬通行荷載相對于原設計荷載而言是不安全的。

擬通行荷載工況2與工況3下的彎矩值小于原設計彎矩值，因此該兩種擬通行荷載相對于原設計荷載而言是安全的。

另外，采用等效彎矩的方法可以計算出試驗荷載為:一輛43 t物料車偏右靜止放置以及另一輛43 t物料車靠在偏右車輛旁靜止放置。此時邊梁的彎矩值為716.0 kN·m，試驗彎矩值與設計最不利彎矩比值為0.99，滿足《檢測規(guī)范》規(guī)定的荷載效率取值范圍為0.8～1.0之間的要求。

根據(jù)該橋理論分析結果，可以得出以下結論。

(1)相對于原設計荷載而言，100 t平板車安全通過該橋的條件是:只能沿橋中線一輛車單獨通過，通過時保持速度小于30 km/h。

(2)相對于原設計荷載而言，泥頭車安全通過該橋的條件是:40 t泥頭車常速前行，15 t泥頭車(空載)正常速度回程，通過時的速度應小于30 km/h。

(3)試驗荷載的彎矩值與設計最不利彎矩的比值為0.99，荷載效率系數(shù)滿足相關檢測規(guī)范要求，靜載試驗在該等效荷載進行是可行的。

3 常規(guī)檢查

外觀質量檢查以近距離目視觀察為主，檢查包括:橋面系、上部結構、支座、下部結構、其他附屬設施檢查。檢查結果顯示:該橋主要承重構件基本完好，未見明顯結構性病害。但是0號及4號橋臺存在明顯橋頭跳車病害，在載重車通過該位置時，會對1＃及4?？缰髁寒a(chǎn)生較大的沖擊，從而導致或加速1＃及4?？缰髁旱膿p壞，影響其結構的耐久性。應對跳車位置進行處理，使橋面平順化。

該橋各跨主梁的混凝土標號為C40，橋墩的混凝土標號為C35。

4 靜載試驗

4.1 靜載試驗試驗荷載[9-10]

根據(jù)理論分析結果，靜載試驗的試驗荷載為:一輛43 t物料車偏右靜止放置以及另一輛43 t物料車靠在偏右車輛旁靜止放置于橋跨中。加載位置如圖4所示。

圖4 加載試驗荷載位置(單位:cm)

4.2 撓度試驗結果

靜載試驗在跨中截面處共布置4個撓度測點，如圖5所示。

圖5 撓度測點位置(單位:cm)

在各級荷載作用下，該橋試驗跨實測撓度結果如表2所示。

表2 各工況下測點的撓度實測值 mm

由表2可知，對應試驗各跨梁所布置測點的撓度校驗系數(shù)在0.8～0.95之間，符合檢測規(guī)范指標(校驗系數(shù)應在0.7～1.05)。所有測點撓度的殘余比均滿足檢測規(guī)范中“殘余比應小于20%”的要求，說明該橋板梁結構仍處于彈性工作狀態(tài)。

實測最大撓度小于26.7 mm(即L/600)，滿足《04橋規(guī)》第6.5.3條的規(guī)定。

4.3 應變試驗結果

在簡支梁跨中截面布置10個測點觀測應變，測點位置如圖6所示。

圖6 應變測點位置示意

在各工況下，該橋試驗跨(第1跨)應變實測數(shù)據(jù)結果如表3所示。

表3 試驗跨各工況下測點的實測應變值 με

由表3可知，對應試驗各跨梁所布置測點的撓度校驗系數(shù)在0.75～0.95之間，符合檢測規(guī)范指標(校驗系數(shù)應在0.7～1.05)。所有應變測點的殘余比均在7%以內，滿足檢測規(guī)范指標(殘余比應小于20%”)，試驗表明橋梁結構仍處于彈性工作狀態(tài)。

4.4 裂縫效應

試驗前和試驗的過程中，沒有出現(xiàn)明顯橫向受力裂縫。

4.5 靜載試驗結果

該橋試驗跨(第1跨)實測撓度及應變的校驗系數(shù)基本滿足檢測規(guī)范的規(guī)定，撓度、應變的殘余比均滿足檢測規(guī)范的要求，最大撓度值滿足橋規(guī)的要求，試驗過程中主梁沒有出現(xiàn)橫向受力裂縫，由此可以判斷該橋各跨在最大試驗荷載作用下處于正常工作狀態(tài)。

因此，該橋試驗跨(第1跨)的強度、撓度不但滿足原設計荷載標準(汽-20、掛-100)要求，同時也滿足擬通行荷載需求。

5 動載試驗

5.1 動載試驗內容

該橋動載試驗按如下兩種工況進行動載試驗:

(1)橋梁無車輛通行工況下，量測橋梁在受環(huán)境自然激勵條件下的固有振動頻率[11]。

(2)在汽車分別以20 km/h、30 km/h的行駛速度進行跑車使橋梁產(chǎn)生受迫振動的工況下，量測橋梁的振動頻率、振幅以及沖擊系數(shù)。

動態(tài)拾振傳感器測點沿橋跨按圖7布置在橋面各跨跨中，通過在動荷載作用下，測量其動態(tài)響應的變化[12]。

圖7 動態(tài)測點布置

5.2 動載試驗結果

該橋在環(huán)境自然激勵下和跑車等各種動載試驗工況下的實測數(shù)據(jù)結果匯成于表4中，其中自然脈動頻譜圖如圖8所示。

圖8 自然脈動各跨測點頻譜

表4 各跨實測自振頻率

該橋按照梁理論計算得到的第一階自振頻率為8.8 Hz，實測該橋4跨的振動頻率分別為:9.10 Hz、9.11 Hz、9.08 Hz及 9.21 Hz，各跨實測的自振頻率均大于理論值，表明橋梁結構實際整體剛度大于設計要求剛度，滿足設計要求。

該橋第2、3跨在各種速度的跑車工況下的實測沖擊系數(shù)小于按規(guī)范理論計算的沖擊系數(shù)1.218，滿足設計要求。但第1、4跨在30 km/h的跑車工況下的實測沖擊系數(shù)在1.226～1.231之間，略大于按規(guī)范理論計算的沖擊系數(shù)1.218。結合外觀檢查結果分析可知，其主要是由于第1、4跨橋頭線形不平順導致出現(xiàn)嚴重的橋頭跳車現(xiàn)象，從而導致實測沖擊系數(shù)較大，長期會加速或導致1＃及4?？缰髁旱膿p壞，影響其結構的耐久性。因此需對該位置的橋頭跳車病害進行處理，使入口橋面平順化。

6 結束語

6.1 安全評估結論

(1)從理論分析結果來看，100 t平板車通行的條件是:只能沿橋中線一輛車單獨通過，通過時保持時速小于30 km。泥頭車安全通過該橋的條件是:40 t物料車常速前行，15 t泥頭車(空載)正常速度回程，通過時的時速應小于30 km。

(2)外觀檢查表明該橋橋臺、橋墩、主梁、支座均基本完好，未見明顯結構性病害。但0號及4號橋臺存在明顯橋頭跳車等病害。

(3)通過靜載試驗結果表明，該橋試驗跨的強度、剛度均滿足原設計荷載標準(汽-20、掛-100)要求，也滿足施工單位提出的“100 t平板車沿中線正常速度獨立通行”與“40 t泥頭車(滿載)靠邊正常速度通行、15 t泥頭車(空載)正常速度回程相遇”的荷載標準。

(4)動載試驗結果顯示非試驗跨(第2～4跨)與試驗跨(第1跨)的動力特性狀況基本一致，故可認為該橋各跨的通行能力基本一致。

6.2 研究總結

本文以某無資料舊橋通行重型車輛安全評估檢測為背景，首先從理論上計算判斷通行的可行性，然后通過試驗對理論計算的通行能力進行論證，最終得到了安全評估結果。文中采用的安全評估方法可為類似項目提供有益參考。