位山攔河閘公路橋靜動載試驗

劉瑞銀，劉 璐

（山東黃河河務局東平湖管理局，山東 泰安 271000）

山東位山攔河閘公路橋上部結構為16 跨混凝土簡支∏型梁橋，單跨11 m，主橋全長176 m，橋面寬8.5 m，下部橋墩為兩頭帶圓弧端的矩形墩，并采用矩形實體式橋臺。該橋于上世紀50年代投入使用，一直作為溝通兩岸的交通主要結構物。該橋緊鄰黃河浮橋，是由南向北通過黃河的必經之路，承載著主干道作用，過往超高超重車輛較多。由于該橋設計資料已丟失，加上年久失修，在試驗之前已經被評定為危橋，為進一步判斷是否能承受預計的荷載，對該橋進行全面檢測尤為必要。檢測主要包括：靜載試驗檢測和動載試驗檢測。其中靜載荷載試驗主要檢驗主梁結構最大正彎矩截面正截面強度和最大撓度控制截面豎向剛度；動載荷載試驗主要對結構振型和結構固有頻率的測定，并計算結構振動的最大振幅值與阻尼比，以及汽車不同運行速度時的沖擊系數。

1 橋梁承載能力初步評定

首先對橋梁病害位置和程度進行調查，包括必要的外觀檢測：表觀缺陷檢查、混凝土強度檢測、碳化深度檢測、鋼筋銹蝕檢測、鋼筋保護層厚度檢測。

由于該橋設計資料不詳，無法確定設計荷載標準。根據該橋修建年代并綜合考慮，假定設計荷載為汽車-15 級。考慮到當前橋梁實際承受的交通荷載較大，最后按照 《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-1985）對汽車-15 級荷載進行驗算，并按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）進行建模，對公路-I 級荷載進行驗算。

采用同濟大學的Dr.Bridge 建立的平面桿系模型的分析結果作為該橋承載能力初步判定的依據。該模型采用常規的位移法，進而采用增量理論考慮施工加載，逐步推進獲得最終結構效應和各控制斷面在恒載、活載作用下的設計內力，這為掌握該橋的結構特點和受力性能及后繼荷載試驗提供依據。該橋平面桿系單元的劃分考慮到簡支梁，分為14個單元，15個節點。根據簡支梁橋的結構特點，計算復核的主要內容包括跨中截面的抗彎強度和支點截面的抗剪強度復核。各截面的抗彎強度與其承受的最不利極限組合內力相比較可知，當結構在汽車-15 級使用階段荷載組合作用下，各截面完全滿足抗彎承載能力極限狀態的要求，并且具有一定的安全儲備。但當結構在公路-I 級使用階段荷載組合作用下，各截面不完全滿足抗彎承載能力極限狀態的要求。

混凝土、箍筋和彎起鋼筋共同承擔的剪力為329.958 kN。當結構在汽車-15 級使用階段荷載組合作用下，產生的最大剪力組合設計值為265.1 kN，斜截面的抗剪承載力滿足要求。當結構在公路-I 級使用階段荷載組合作用下，產生的最大剪力組合設計值為346.2 kN，斜截面抗剪承載力不滿足要求。因此，該橋滿足85 規范規定的汽車-15 級設計荷載要求，但不滿足現行規范2004 標準規定的公路-I 級荷載要求。

2 靜載試驗分析

橋梁靜載試驗是對橋梁結構的靜力位移、靜力應變、裂縫等參量進行測試，從而對橋梁結構在荷載作用下的工作性能及使用性能作出評價。基于前述橋梁承載力評定驗算結果，該橋不滿足公路-I 級荷載要求，因此本次荷載試驗采用2 輛重約13 t 的三軸載重汽車加載模擬汽車-15 級荷載，車輛參數見表1。滿載時兩車的試驗效率系數為1.01，符合規范0.85～1.05 的要求。試驗采用對稱布置，以等效邊梁跨中最大正彎矩為原則進行等效車輛加載，試驗時主要量測各主梁的應變和撓度。經橋梁外觀檢測發現，第6 孔損壞較嚴重，作為試驗孔具有代表性。

表1 加載車輛參數

橋梁在試驗靜荷載作用下，試驗橋跨的跨中截面分級加載撓度值見表2。校驗系數為試驗荷載作用下實測值與理論計算值的比值，是結構評定的重要指標。可見在試驗荷載作用下該橋撓度的校驗系數均在1 以上，超出常規混凝土梁橋的校驗系數0.70～1.0 的范圍，說明結構剛度不能滿足要求。

表2 跨中截面撓度殘值分析表 mm

主梁應變測點全部布置于跨中斷面，比如在試驗荷載作用下，西側跨中截面混凝土應變的分級加載值見表3。可以看出，西側腹板的應變值多為壓應變，與正常情況極其不相符，可能是由于腹板在荷載作用下產生了不規則的變形（如整個上部結構向西側傾斜扭曲），這種變形會嚴重影響橋梁的使用性能。

表3 西側測點分級加載應變值及相對殘余應變值表

3 動載試驗分析

動載試驗是測定橋梁固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數、行車響應等參量，從而判斷橋梁結構的整體剛度、行車性能。這里完成了以下兩方面內容：1）脈動試驗：在橋面的特定位置設置加速度傳感器，獲得主梁的振動頻率，進一步確定結構的剛度和質量分布情況。2）無障礙行車試驗：采用1輛重130 kN 的翻斗車勻速駛過主橋，行駛速度分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h，每種車速情況下進行1 次往返跑車試驗。在橋面上進行拾振，記錄結構在不同車速下的振動響應。采用測定結構動應變或動撓度的方法可得到車輛對結構的沖擊系數，建立沖擊系數與車速的關系曲線，可以獲得最不利車速。

通過利用放置在試驗孔橋面上的速度傳感器測得橋梁天然脈動信號時域曲線，對采集到的時程曲線波形進行分析得到，山東位山攔河閘公路橋1 階固有頻率為8.35 Hz。理論計算所得的主梁自振頻率7.72 Hz（未考慮橋面鋪裝作用，僅計算主梁的自振頻率），實測自振頻率與理論自振頻率比值為1.08，接近《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中規定實測自振頻率與理論自振頻率比值大于1.1 為良好狀態，表明實際結構的整體性良好。結構的實測阻尼比4.87%，而橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%，實測阻尼比介于橋梁常見阻尼比范圍內。

為測定橋梁結構的沖擊系數，車輛以不同的速度駛過橋梁，逐次記錄跨中截面的撓度時程曲線。一輛13 t 重的實驗車輛分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h時速通過橋面時，實測沖擊系數分別為1.32，1.38 和1.44。沖擊系數隨車速的增大而增大。該橋沖擊系數較大，表明該橋具有較大振動，橋面不平整是主要因素。

4 結 論

根據綜合分析結果，主梁跨中斷面的抗彎承載力、斜截面抗剪能力和豎向剛度均能夠滿足汽車-15級荷載的設計要求，不能滿足公路-I 級荷載的設計和使用要求。該橋橋面破損，主梁受損嚴重，墩臺工作狀態不佳，加上該橋年久失修，漏水嚴重，橋梁耐久性不足，存在嚴重的安全隱患。為保證交通安全，鑒于該橋設計荷載等級低，已不能滿足日益增長的交通量及重交通的使用要求，存在安全隱患，建議重建。

如不能及時重建，在臨時通車期間，為保證安全，應采取相應的安全措施：1）應限重通行，限重的車輛噸位為8 t；2）應對過往的車輛限速，車速不超過20 km/h；3）拆除原有的橋面鋪裝，加鋪15×15 cm 的直徑12 mm 的橋面鋪裝鋼筋網，重新澆注混凝土橋面。4）油毛氈支座失效，建議更換為橡膠支座。