提載舊橋承載能力的評估

中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034

1 引言

隨著我國的經濟發展，道路荷載等級不斷提高，大件特種運輸車輛也日益增多，大量舊橋由于建成時間早，荷載標準低，需要在提載條件下對其承載能力重新進行評估。對既有橋梁進行承載能力評定的方法大致可分為經驗法、荷載試驗法、設計理論法、專家系統評定法、承載能力的計算機有限元模擬、基于動力的評估以及以可靠度理論為基礎的評估方法等［1］。其中以承載能力的計算機有限元模擬和荷載試驗法應用最為廣泛。本文以某碼頭棧橋為例，介紹提載舊橋的承載能力評估方法。

2 工程概況

某碼頭工程包括兩個棧橋，每個棧橋有4 聯，總長180m，跨徑布置為4×7×6m。棧橋立面布置見圖1，平面布置見圖2。上部結構為鋼筋混凝土縱梁+橋面板，梁高1.35m，混凝土強等級為C35；下部結構為預應力混凝土方樁，截面為0.6m×0.6m，混凝土強度等級為C50。

棧橋于2006 年設計建造，原設計荷載為總重2575t 的箱梁輪胎搬運機，在廢棄12 年后準備重新使用，現運營荷載為總重3694t 的箱梁輪胎搬運機，相比設計荷載增加了43%。

圖1 棧橋平面布置

3 承載能力評估

3.1 缺損及材質狀況檢查

棧橋缺損狀況及材質狀況檢查結果按照《公路橋梁承載能力評定規范》（JTG/T J21-2011）的要求計算出評定標度，以此為基礎得出承載能力計算模型的修正系數，檢查結果見表1。

表1 缺損及材質狀況檢查

3.2 承載能力檢算

3.2.1 檢算原理

在承載能力檢算中引入檢算系數Z1，承載能力惡化系數ξe、鋼筋截面折減系數ξs和配筋混凝士結構的截面折減系數ξc對結構抗力效應進行修正，上述系數取值基于缺損狀況及材質狀況檢查結果，見表2。因設計荷活載與運營活載的輪軸分布基本相同，故不考慮活載影響修正系數。

鋼筋混凝土結構承載能力極限狀態檢算公式如下：

式中：γ0為結構的重要性系數，S 為荷載效應函數，R 為抗力效應函數，fd為材料強度設計值，adc為構件混凝士幾何參數值，ads為構件鋼筋幾何參數值。

表2 相關檢算系數取值

3.2.2 計算荷載及工況

計算荷載包括恒載、活載、風荷載、系纜力、制動力、船撞力等，按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG 60-2015）要求進行組合，見表3。

表3 承載能力檢算荷載組合

由于棧橋上行走的輪胎搬運機運送箱梁時會出現不同程度的偏載，根據實際情況設計三種檢算工況：①搬運機不偏載；②搬運機運送箱梁偏載8.5m；③搬運機運送箱梁偏載13.1m。

3.2.3 檢算結果

棧橋抗彎承載能力檢算結果見表4，抗剪承載能力檢算結果見表5。在現運營荷載作用下，棧橋承載能力有如下規律：

（1）跨中截面結構抗彎能力與荷載效應比值在1.67～2.12，富余量較大。

（2）工況3 作用下支座附近截面結構抗剪能力比荷載效應小8%左右，抗剪能力需進一步驗證。

（3）工況1 和工況2 作用下支座附近截面結構抗剪能力與荷載效應比值在1.02～1.13 之間，富余量較小。

（4）搬運機運送箱梁偏載距離越大，單個棧橋的荷載效應越大，結構受力越不利。

表4 結構抗彎承載能力檢算結果（跨中截面）

表5 結構抗剪承載能力檢算結果（支座附近截面）

圖2 各工況結構抗剪能力示意圖

3.2.4 荷載試驗

工況3 作用下支座附近截面結構抗剪能力比荷載效應小8%左右，未超過20%，為進一步驗證其承載能力，采用荷載試驗方法，引入檢算系數Z2，對承載能力計算模型進行修正。

（1）荷載試驗效率和工況

荷載試驗主要針對偏載情況下的跨中截面彎矩和支座附近截面剪力進行加載，以驗證結構承載能力狀況。荷載試驗工況和加載效率見表6。

表6 荷載試驗工況和加載效率

（2）荷載試驗結果分析

荷載試驗主要結果見表7，主要結論如下：

表7 荷載試驗結果

①跨中正彎矩加載時應力校驗系數在0.68～0.69 之間，撓度校驗系數為0.50；支座附近截面剪力加載時應力校驗系數在0.68～0.73 之間；

②最大殘余應變和變形率為14%，小于20%；

③加載到滿載83%時，腹板出現1條裂縫，寬度為0.20mm，繼續加載至滿載時裂縫未見繼續擴展，卸載后裂縫寬度實測值為0.06mm。加載時裂縫寬度未超過規范限值，且卸載后閉合寬度小于擴展寬度2/3。

綜上所述，荷載試驗結果滿足規范要求。

3.2.5 承載能力評定

由荷載試驗結果可以得到檢算系數Z2，代入承載能力極限狀態檢算公式可得：

式中檢算系數Z2應由荷載試驗應變或變形實測校驗系數最大值內插計算得出。

表8 引入Z2 后結構抗彎承載能力檢算結果（跨中截面）

表9 引入Z2 后結構抗剪承載能力檢算結果（支座附近截面）

本橋荷載試驗試驗校驗系數最大值為0.73，按照《公路橋梁承載能力評定規程》規定，計算得到檢算系數Z2 為1.09。計算模型修正后的承載能力檢算結果見表8 和表9，可以看出，引入檢算系數Z2，棧橋抗彎和抗剪承載能力滿足要求。

綜合承載能力檢算和荷載試驗結果，可以認為，在提載43%的情況下，棧橋承載能力滿足要求。

4 結束語

本橋經過承載能力檢算評估后正常投入使用，后期監測結果表明，結構受力性能滿足規范要求。通過本項工作，施工方將一座廢棄12年的棧橋合理利用，節約了施工工期和經濟成本。

（1）既有舊橋在外觀缺損較小，材質情況良好的情況下有提高荷載運營的潛力。

（2）鋼筋混凝土矩形截面梁在提載43%條件下，跨中抗彎承載能力有1.82 倍富余，支座附近抗剪能力能基本滿足要求。

（3）舊橋承載能力檢測評估對于節約建設投資有著顯著意義。