設(shè)計資料缺失的既有橋梁承載力評定技術(shù)

向明雯

（官渡區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，昆明 650000）

1 引言

某項目有2 座簡支梁橋，屬于市政橋梁，擬在橋上通過重載車輛，需對橋梁承載能力進(jìn)行評定，為后續(xù)決策提供依據(jù)。但是，因橋梁建設(shè)及管理等特殊原因，未搜集到與橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計資料，并且橋梁建造時間不詳。如何僅在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗方案設(shè)計并評定出橋梁的實際承載力，是本次評定的主要目的。

2 橋梁概況

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，本次評定的2 座橋梁均位于同一河流上，為上下游關(guān)系。橋梁1 位于上游，為單跨預(yù)制混凝土空心板梁橋；橋梁2 位于下游，為單跨現(xiàn)澆混凝土T 形梁橋。

3 評定過程

3.1 技術(shù)狀況檢查

方案設(shè)計前，根據(jù)CJJ 99—2017《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]的相關(guān)要求對各橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行現(xiàn)場檢查，結(jié)果顯示，橋梁1 和橋梁2 的技術(shù)狀況等級分別為A 級、D 級。

3.2 方案設(shè)計

3.2.1 橋梁1

1）靜載實驗

考慮其所在道路屬于城市道路的支路，且技術(shù)狀況等級評定結(jié)果為A 級，故實驗加載方案設(shè)計理論計算時，設(shè)計荷載等級取城市-B 級，為確保荷載試驗的有效性及試驗過程安全，計算時控制荷載不計入沖擊作用，但試驗荷載效率按JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》[2]相關(guān)規(guī)定，取上限值1.05。試驗選用典型的雙橋載重自卸汽車作為試驗荷載車輛，前后軸距為4 m，后軸軸距為1.4 m，試驗前均進(jìn)行過磅稱重。經(jīng)計算，試驗時共采用4 輛車輛進(jìn)行分級加載，車輛與貨物總重取350 kN。

2）動載試驗

現(xiàn)場采用地脈動激勵方法測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期和模態(tài)，測試時在橋梁1/4 跨、跨中以及3/4 跨的3 個截面上布置振動傳感器。阻尼比測試試驗采用波形分析法進(jìn)行，現(xiàn)場采用350 kN 載重車輛以不同的速度駛離橋面后引起橋梁結(jié)構(gòu)余振，得到橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力自由振動衰減波形曲線。

3.2.2 橋梁2

1）靜載實驗

本次試驗加載采用車輛荷載控制，并考慮橋梁結(jié)構(gòu)損傷對承載力影響。根據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[3]相關(guān)規(guī)定，城市-B 級車輛荷載的車輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為550 kN，故本次試驗采用試驗車輛的重量=標(biāo)準(zhǔn)值×結(jié)構(gòu)完好狀況評級上限分/100，即550×66/100=363 kN，為便于試驗，試驗車輛與橋梁1 的試驗車輛統(tǒng)一。為準(zhǔn)確分析橋梁的實際承載能力，試驗時，以雙橋載重汽車前輪位置作為控制，每前進(jìn)1 m 持荷并讀取該級荷載作用下控制截面的應(yīng)力和位移值，并與理論值做比較，出現(xiàn)異常情況及時分析原因，必要時終止加載試驗。

2）動載試驗

結(jié)構(gòu)自振周期和模態(tài)的測試方案與橋梁1 相同，阻尼比測試考慮橋梁承載力理論計算結(jié)果與試驗車輛荷載比較接近，故現(xiàn)場測試根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果確定是否進(jìn)行。

3.3 荷載試驗

3.3.1 橋梁1

1）靜載試驗

經(jīng)試驗，橋梁1 在試驗荷載作用下的應(yīng)變值和撓度值如下：試驗荷載作用下主要控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.25～0.63，實測值均未超過設(shè)計理論值，應(yīng)變的變化規(guī)律與理論計算結(jié)果吻合較好，卸載后殘余應(yīng)變均未超過20%。試驗荷載作用下主要控制截面撓度校驗系數(shù)為0.24～0.75，實測值均未超過設(shè)計理論值，撓度的變化規(guī)律與理論計算結(jié)果吻合較好，卸載后殘余應(yīng)變均未超過20%。

2）動載試驗

橋梁1 實測結(jié)構(gòu)1 階自振頻率為8.79 Hz，校驗系數(shù)為1.41，實測頻率高于理論計算頻率；實測模態(tài)總體平滑，與理論模態(tài)基本吻合。自振頻率和模態(tài)測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 橋梁1 自振頻率和模態(tài)測試結(jié)果圖

根據(jù)現(xiàn)場測試得到的橋梁自由振動衰減曲線計算，不同激振工況作用下，橋梁1 結(jié)構(gòu)阻尼比為3.10%～6.20%，具體計算結(jié)果見表1，現(xiàn)場典型的振動衰減曲線及局部放大圖如圖2所示。

圖2 橋梁1 現(xiàn)場典型振動衰減曲線及局部放大圖

表1 橋梁1 各激振工況下阻尼比測試計算結(jié)果

采用跑車試驗中行車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動應(yīng)變曲線計算沖擊系數(shù)為1+μ，不同行車荷載工況下，橋梁1 結(jié)構(gòu)實測沖擊系數(shù)為1.18～1.43，具體計算結(jié)果見表2?，F(xiàn)場典型的動應(yīng)變曲線及局部放大圖如圖3 所示。

圖3 橋梁1 現(xiàn)場典型動應(yīng)變曲線及局部放大圖

表2 橋梁1 各荷載工況下沖擊系數(shù)測試計算結(jié)果

3.3.2 橋梁2

1）靜載試驗

經(jīng)試驗，橋梁2 在試驗荷載作用下的應(yīng)變值和撓度值如下：試驗荷載作用下控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.53～2.16，其中，1#、3#、4#、6#和7#梁實測應(yīng)變值超過理論計算值，1#、4#、5#梁卸載后測點殘余應(yīng)變超過20%。試驗過程中，4#梁應(yīng)變值在加載至第6 級時出現(xiàn)突變，當(dāng)加載第7 級時應(yīng)變測量過載（即應(yīng)變值＞20 000 με，超過應(yīng)變儀量程），說明加載過程中4#梁跨中應(yīng)變片位置有新裂縫產(chǎn)生。試驗結(jié)束后，對梁體進(jìn)行裂縫檢查，4#梁體應(yīng)變片位置確實有裂縫產(chǎn)生，裂縫寬度為0.31 mm，其余位置未發(fā)現(xiàn)有新裂縫產(chǎn)生。

試驗荷載作用下，控制截面撓度校驗系數(shù)為0.26～0.58，實測撓度值未超過理論計算值，但2#、7#和8#梁卸載后測點殘余撓度超過20%，其余梁相對殘余接近20%。試驗時，在3#、5#和7#梁跨中裂縫位置跨裂縫粘貼應(yīng)變片，以了解試驗過程中裂縫的變化情況。由測試結(jié)果，試驗荷載作用下梁體跨中裂縫均存在變寬情況，最大變化值為0.383 mm（根據(jù)應(yīng)變值計算，實際變化應(yīng)小于該值），卸載后裂縫均能較好恢復(fù)。

2）動載試驗

橋梁2 實測結(jié)構(gòu)1 階自振頻率為2.93 Hz，校驗系數(shù)為0.41，實測頻率低于于理論計算頻率，實測模態(tài)與理論模態(tài)相差較大，存在畸變。自振頻率和模態(tài)測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 橋梁1 自振頻率和模態(tài)測試結(jié)果圖

4 承載力評定

4.1 橋梁1

根據(jù)荷載試驗結(jié)果，該橋承載力無明顯惡化，控制測點應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)≤0.40，承載能力檢算系數(shù)Z2取1.30。即承載能力可在方案假定為城市-B 級的基礎(chǔ)上提高1.30 倍，即橋梁1 允許通行的車輛限載質(zhì)量為55×1.3=71.5 t。但考慮橋梁實測沖擊系數(shù)最大校驗系數(shù)為1.09，試驗方案設(shè)計時未考慮沖擊系數(shù)，故承載能力根據(jù)沖擊系數(shù)測試結(jié)果進(jìn)行修正，即橋梁1 的車輛載質(zhì)量為71.5/1.09=65.6 t。

4.2 橋梁2

根據(jù)荷載試驗結(jié)果，該橋主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)存在大于0.8 的情況，撓度校驗系數(shù)小于0.58；頻率校驗系數(shù)為0.41，實測與理論模態(tài)存在畸變；荷載作用下結(jié)構(gòu)存在開裂。綜合分析，橋梁2 承載能力受結(jié)構(gòu)損傷和材料老化影響顯著，承載力不能滿足城市-B 級的假定，亦不能滿足考慮橋梁整體技術(shù)狀況折減后的車輛荷載作用。根據(jù)4#、5#、6#、7#梁應(yīng)變測試結(jié)果和3#、5#、7#梁跨裂縫應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果，應(yīng)變值在荷載加載至第6 級的時候存在明顯的突變，故橋梁2 宜取前一級荷載作用下的計算效應(yīng)作為橋梁承載力依據(jù)。根據(jù)理論計算結(jié)果，第5 級荷載作用下的效應(yīng)值與最大荷載效應(yīng)值之比的平均值為0.33。因此，橋梁2 的承載質(zhì)量為35×0.33=11.5 t。

5 結(jié)語

實際工程中，設(shè)計資料缺失的橋梁現(xiàn)場情況往往較為復(fù)雜，如何準(zhǔn)確把握橋梁總體情況，并制訂具有針對性的荷載試驗方案，是該類橋梁承載力評定結(jié)果與實際相符的關(guān)鍵。論文通過同一項目而現(xiàn)場情況差異較大的2 座橋梁的承載力評定，通過技術(shù)狀況檢查、方案設(shè)計和承載力評定，較為詳細(xì)地演示了評定過程，對設(shè)計資料缺失的既有橋梁承載力評定進(jìn)行了有益探索，為進(jìn)一步的技術(shù)探索提供參考。