既有橋梁結(jié)構(gòu)承載力檢測及評估研究

鄭宗鶴 樊聰鎬

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

既有橋梁在運(yùn)營期間，往往會出現(xiàn)一定程度的性能損失，使得其承載能力持續(xù)下降。尤其是在我國基礎(chǔ)工程建設(shè)數(shù)量與體量飛速發(fā)展的背景下，橋梁監(jiān)測的要求也越來越高。通過可靠的結(jié)構(gòu)承載力檢測與評估，能夠較為準(zhǔn)確地判定結(jié)構(gòu)的損傷情況以及預(yù)期壽命，進(jìn)而為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改建、加固等提供相應(yīng)的理論支持。目前我國在橋梁結(jié)構(gòu)承載力檢測方面所應(yīng)用的技術(shù)較為繁多，其中荷載試驗憑借簡單、有效的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。荷載試驗不僅能夠在新建工程中發(fā)揮良好的作用，同時也可用于舊橋加固前的檢測評估。其中，對于新建橋梁而言，荷載試驗?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確、直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量好壞，一般而言在重大橋梁工程項目正式投入運(yùn)營前都應(yīng)當(dāng)通過荷載試驗來做出評估；而對于舊橋而言，荷載試驗?zāi)軌蜥槍π缘靥岢黾庸讨笇?dǎo)意見，并為加固后結(jié)構(gòu)的維護(hù)建立參考。

1 工程概況

本文以我國某橋梁工程實例為基礎(chǔ)展開分析，該項目采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計，共四跨（33m+45m+45m+33m）。橋面分為左右幅，選定為雙向六車道方案。設(shè)計荷載定為公路- Ⅰ級，設(shè)計車速為50km/h。該項目各跨的布置如圖1 所示，目前已竣工投入運(yùn)營達(dá)5 年。

圖1 橋跨布置情況

2 有限元模型構(gòu)建

本文采用Midas/Civil 軟件建立與工程結(jié)構(gòu)相應(yīng)的模型并完成有限元分析。在本模型中，共將結(jié)構(gòu)劃分為79個節(jié)點(diǎn)及78 個單元。其中主梁的材料定義為C50 混凝土，其中的縱向預(yù)應(yīng)力筋定義為15.24 鋼絞線（fpk=1860MPa），預(yù)應(yīng)力筋在張拉時應(yīng)當(dāng)將張拉應(yīng)力控制在1395MPa 附近，且均以端部張拉的方式完成。由此所建立的有限元模型如圖2 所示，各支座的約束條件如表1 所示。

圖2 有限元計算模型

表1 各支座約束條件

3 承載力試驗分析

3.1 靜載力試驗

3.1.1 試驗工況

基于橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其受力性質(zhì)，可將靜力荷載大致分為兩個不同工況條件，并分別測試其最大正彎矩及最大負(fù)彎矩，荷載試驗檢測工況表如表2 所示。

表2 靜載試驗工況表

通過荷載試驗測試可以得到控制截面彎矩的影響線如圖3 和圖4 所示。

圖3 10-11#軸跨中最大正彎矩影響線

圖4 10#軸最大負(fù)彎矩影響線

3.1.2 靜載試驗結(jié)果分析

控制截面的應(yīng)力測試結(jié)果。通過靜載試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況一、工況二在各級荷載下的應(yīng)變、卸載時的應(yīng)變以及相對殘余應(yīng)變分別如表3、表4 所示。表中數(shù)值為正則代表拉應(yīng)變，負(fù)值則代表壓應(yīng)變。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗荷載下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大、最小殘余應(yīng)變比分別為18%、0，兩者均滿足我國現(xiàn)行規(guī)范20%的限值標(biāo)準(zhǔn)。

表3 工況一應(yīng)變實測結(jié)果（部分）

表4 工況二應(yīng)變實測結(jié)果（部分）

試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于邊梁不同側(cè)面的相同高度位置，試驗實測得到的應(yīng)變量往往存在突出的差異，且受拉挖側(cè)的應(yīng)變顯著大于內(nèi)側(cè)；但在受壓區(qū)則呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，這也表明梁體自身具有一定的斜彎曲。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置各個測點(diǎn)的實測數(shù)據(jù)與彎矩值之間保持近似線形相關(guān)，因此可以認(rèn)定在該階段下截面處于線彈性狀態(tài)，由此也可得到在試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)變。此外，試驗實測得到的應(yīng)變值與截面高度之間存在線性關(guān)聯(lián)性，因此在試驗過程中截面滿足平截面假定。

按照上述研究結(jié)果即可歸納得到應(yīng)變的回歸方程，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步推斷得到最大試驗荷載下的平均拉應(yīng)變及平均壓應(yīng)變。在結(jié)構(gòu)處于完全線彈性狀態(tài)下時，可以通過測定測點(diǎn)處的應(yīng)變情況來大致推算得到該位置的應(yīng)力水平。其中計算值、實測值之間偏差可以通過結(jié)構(gòu)效驗系數(shù)來反映。對預(yù)應(yīng)力混凝土橋而言，我國現(xiàn)行規(guī)范要求應(yīng)當(dāng)將這一指標(biāo)控制在0.6-0.9 的區(qū)間內(nèi)。調(diào)取有限元分析中工況一、工況二下控制截面的邊緣應(yīng)力水平，將其與試驗實測值比對即可得到表5。

表5 實測值和計算值對比分析表

3.1.3 抗裂性分析

在預(yù)應(yīng)力混凝橋梁的結(jié)構(gòu)管理中，抗裂性也是一項需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，同時其也直接反映著結(jié)構(gòu)整體的承載能力。在開展荷載試驗時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用跨中位置頂部約1m 的區(qū)段，在其上連續(xù)布設(shè)5 個應(yīng)變傳感器，以此獲取該位置在不同等級荷載所發(fā)生的應(yīng)變。將荷載效率系數(shù)、實測應(yīng)變分別作為X 軸、Y 軸，即可繪制得到ε-ηq 圖，若在圖中曲線存在拐點(diǎn)，也即代表在該試驗測點(diǎn)位置出現(xiàn)開裂。

試驗表明，實測應(yīng)變、外加彎矩之前保持著較好的線性關(guān)聯(lián)性，這也代表在加載過程中結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。此外，試驗加載時技術(shù)人員也對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的觀察，并未發(fā)現(xiàn)裂縫，因此可認(rèn)為梁體具有較好的抗裂性能。

3.2 動載力試驗

3.2.1 行車試驗

監(jiān)測行車試驗開展全過程中跨中以及1/4 跨位置處的振幅和動位移指標(biāo)，并將其分別列在表6 及表7 中。

表6 行車時各測點(diǎn)響應(yīng)幅值(mm)

表7 行車時各測點(diǎn)響應(yīng)幅值和沖擊系數(shù)

根據(jù)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，跨中及1/4 跨位置處的最大振動幅值均在500km/h 時達(dá)到，且這峰值隨著車速的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢。同時，沖擊系數(shù)與車速之間也存在正相關(guān)聯(lián)，車速越大、沖擊系數(shù)越大，當(dāng)車速達(dá)到30km/h 時，試驗測得相應(yīng)的沖擊系數(shù)為0.19，這與設(shè)計值比較貼合。

通過行車試驗數(shù)據(jù)的自譜分析可以發(fā)現(xiàn)，在外加車輛荷載的基礎(chǔ)上橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率分別達(dá)到了2.64Hz、3.51Hz、4.64Hz 以及5.08Hz。

3.2.2 制動試驗

在試驗過程中，借助自重為38 噸的車輛在跨中處開展兩次制動。在跨中及1/4 跨位置處分別布置一個測點(diǎn)，測量橋梁順橋向的振動響應(yīng)，測得振動幅值如表8 所示。

表8 制動試驗中跨中縱向振幅(單峰mm)

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，制動試驗中結(jié)構(gòu)振動的衰減頻率約為2.54Hz、3.66Hz 及5.08Hz。

3.2.3 跳車試驗

在試驗過程中，借助自重為38 噸的車輛在跨中處開展兩次跳車試驗，保持車輛順下坡方向前進(jìn)。在跨中及1/4 跨位置處分別布置一個測點(diǎn)，測量橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的相應(yīng)，其數(shù)據(jù)如表9 所示。

表9 跳車引起的最大振幅(單峰mm)

針對跨中位置的跳車余振做出分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)振動的衰減的頻率約為2.59Hz、3.61Hz、4.64Hz 及5.08Hz。

3.2.4 脈動試驗

受到風(fēng)荷載、水流沖擊等的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會發(fā)生振動，在實際工程中可借助高精度設(shè)備監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動情況，并以此為基礎(chǔ)計算得到自振周期、振型、阻尼比等基本參數(shù)。傳在本研究中將傳感器布置于跨中及1/4 跨位置處，并分別獲得相應(yīng)的實測數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上對脈動試驗的結(jié)果展開研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自振頻率為2.62Hz、3.52Hz、4.57Hz 及5.08Hz。

3.2.5 橋梁固有頻率理論值

在對橋梁結(jié)構(gòu)開展自由振動分析時，若涉及到有限單元軟件，一般可借助程序內(nèi)置的子空間迭代法、多重Ritz 向量法等特征值計算法完成分析。其中，子空間迭代法對于大型矩陣特征值的求解具有較好的效果，在動力學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)整體一般具有較多的自由度，因此在分析其響應(yīng)時僅要求掌握部分較低特征值即可，具有較高的求解效率。

在應(yīng)用子空間迭代法進(jìn)行求解時，需要首先假定r個起始向量并對其進(jìn)行迭代計算以此得出矩陣的前p個特征值及其相應(yīng)特征向量。若r 較小，不僅可能導(dǎo)致遺漏振型，同時還可能得出原不應(yīng)出現(xiàn)的振型。

在通過有限元分析即可得出該橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率的前5 階計算值，如表10 所示。

表10 橋梁豎向固有頻率理論計算值

根據(jù)表10 內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，該橋梁結(jié)構(gòu)的橫向、豎向一階振動頻率分別為1.05Hz、1.96Hz，且豎向一階振動頻率出現(xiàn)的時間稍晚，這表明結(jié)構(gòu)在豎向上的剛度要大于橫向，這與工程實際設(shè)計方案中的結(jié)構(gòu)體系相契合。試驗實測得到的自振頻率均高于理論分析值，這也表明結(jié)構(gòu)是剛度較理論更大，但仍處在合理范圍內(nèi)。

4 承載力評估分析

4.1 基于靜載試驗的承載力評估

4.1.1 應(yīng)力校驗系數(shù)

在工況一條件下測得上緣、下緣的壓應(yīng)力校驗系數(shù)分別為0.63、0.64；在工況二條件下測得上緣、下緣的壓應(yīng)力校驗系數(shù)分別為0.63、0.68。實測數(shù)據(jù)均滿足我國現(xiàn)行規(guī)范的0.6-0.9 區(qū)間要求，且較標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間更小，這也表明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)較好。

4.1.2 撓度校驗系數(shù)

在工況一條件下測得撓度校驗系數(shù)為0.71，滿足我國現(xiàn)行規(guī)范的0.7-1.0 區(qū)間要求，且較標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間更小，這也表明結(jié)構(gòu)的剛度較好。此外，將截面最大撓度控制在合理范圍內(nèi)，使得設(shè)計撓度小于L/600，這也滿足我國現(xiàn)行規(guī)范的剛度要求。

4.2 基于動載試驗的承載力評估

4.2.1 自振頻率

根據(jù)理論分析得到該橋梁結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為1.05Hz，而在行車試驗、制動試驗、跳車試驗以及脈動試驗下分別實測得到結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為2.64Hz、2.54Hz、2.59Hz 以及2.62Hz。由此可見發(fā)現(xiàn)，實測得到的自振頻率均大于理論分析值，這也表明結(jié)構(gòu)實際剛度較大，這與靜載試驗的分析結(jié)果較為契合。

4.2.2 沖擊系數(shù)

隨著車速的提升，沖擊系數(shù)也隨之逐漸增大。當(dāng)車速達(dá)到30km/h 時，其所對應(yīng)的沖擊系數(shù)實測值則為0.19。沖擊系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)值更高，這就表明橋面平整度較差，在日常維護(hù)運(yùn)營中應(yīng)當(dāng)采取有效措施進(jìn)行改善，降低沖擊效應(yīng)的不利影響。

5 結(jié)論

本文基于目前國內(nèi)外常見的橋梁承載力評價方法，分別從靜載試驗、動載試驗兩個層面展開分析，結(jié)合我國某四跨連續(xù)橋工程實例比對了Midas/Civil 有限元分析與試驗實測數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變形均符合我國現(xiàn)行規(guī)范要求，且結(jié)構(gòu)實測得到的殘余撓度較小，受力過程中結(jié)構(gòu)始終處于線彈性狀態(tài)下。此外，動載試驗測得結(jié)構(gòu)的實際自振頻率較理論分析值更大，反映了結(jié)構(gòu)具有較高的剛度這與靜載試驗的結(jié)果較為一致。