基于荷載試驗(yàn)下舊橋形變性能分析

郝玉峰

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川 成都 610500 ）

0 引言

舊橋改造工程施工由于其特殊性和復(fù)雜性，一般采用荷載試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法驗(yàn)證舊有橋梁結(jié)構(gòu)承載性能[1-4]。魏瑞芬[5]通過荷載試驗(yàn)對舊橋加固前后進(jìn)行研究，結(jié)合理論計(jì)算得到舊橋加固前后的整體受力性能。馬奔[6]通過荷載試驗(yàn)研究舊橋受力性能，結(jié)合橋梁外觀檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)舊橋承載力偏低，提出及時(shí)改造的結(jié)論。王俊德[7]等針對某連續(xù)T 梁橋通過靜動載試驗(yàn)得到該橋受力性能。王麗[8]等為研究某連續(xù)梁橋受力性能，將靜動載試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算相對比，得到該橋的實(shí)際受力性能。王祥壽[9]等研究了在橫載和設(shè)計(jì)活載作用下橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，確定橋梁靜載試驗(yàn)的主要控制截面，通過有限元模擬與靜載試驗(yàn)相對比得到主梁與南塔的位移最大點(diǎn)。

本文以巢湖路新橋?yàn)槔ㄟ^對舊有橋梁的荷載試驗(yàn)，實(shí)測舊有橋梁在三種工況下測點(diǎn)的應(yīng)變以及撓度，將理論計(jì)算值與實(shí)測值對比得到應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)及撓度校驗(yàn)系數(shù)，綜合分析判定橋梁的安全性能，保證橋梁使用的可靠性，為類似新橋施工工程提供參考。

1 理論分析

在舊橋上進(jìn)行施工前，需要評定既有結(jié)構(gòu)是否能承受施工帶來的荷載，通過荷載試驗(yàn)不僅操作方便，更可以相對準(zhǔn)確地反映舊橋結(jié)構(gòu)受力性能[10-11]。通過控制荷載效率處于一定范圍來保證試驗(yàn)的有效性，荷載效率計(jì)算公式如下：

式中：Ss為靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值； S' 為驗(yàn)算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ 為通過動力計(jì)算并依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004 設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)；ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率，取值范圍為0.95～1.05 之間。

2 工程概況

引江濟(jì)淮江淮溝通段巢湖路橋橫跨派河，地處金寨南路橋與青龍橋之間，現(xiàn)因橋梁通航凈跨與凈高不符合Ⅱ級通航尺度標(biāo)準(zhǔn)，需對巢湖路舊橋拆除重建。巢湖路舊橋?yàn)?×20m 預(yù)制空心板橋，橋面寬33m。巢湖路新橋?yàn)椋?0+135+50）m 下承式連續(xù)梁系桿拱橋，新橋由鋼箱梁和鋼拱圈組成，鋼箱梁現(xiàn)采用倒退式原位支架法自經(jīng)開區(qū)往肥西縣方向順序安裝，鋼管拱采用原位支架法兩側(cè)對稱安裝，跨中合攏，待新橋安裝完成后拆除老橋。巢湖路新舊橋位置關(guān)系圖如圖1 所示。

新橋鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)應(yīng)在舊橋橋面上搭設(shè)支架，根據(jù)支架使用形式不同分為A、B 類，A 類支架為舊橋墩頂處支架，B 類為舊橋各跨跨中支架，鋼箱梁全部安裝焊接完成后，拆除B 類支架，僅通過A 類支架傳遞拱肋安裝產(chǎn)生的荷載。由于舊橋常年使用存在損耗且支架施工時(shí)承受較大荷載，故在支架搭設(shè)前需通過荷載試驗(yàn)檢測舊橋?qū)嶋H承載力，并在支架搭設(shè)與鋼箱梁安裝過程中對舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，確保施工安全。

圖1 巢湖路新舊橋位置關(guān)系圖

3 荷載試驗(yàn)方案

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》對該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范并結(jié)合舊橋?qū)嶋H受力確定試驗(yàn)控制截面，選取有代表性的經(jīng)開區(qū)向第二跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)荷載效率定為0.95，并根據(jù)公式1 計(jì)算得到試驗(yàn)荷載。

3.1 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

本次荷載試驗(yàn)分三種工況。工況一：220t 汽車吊定點(diǎn)吊裝作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的荷載和在橋面空載行走荷載；工況二：鋼箱梁合龍后，B 類支架未拆除時(shí)，跨中B 類支架施加給舊橋的集中荷載；工況三：拆除B 類支架，100t 汽車吊在鋼箱梁橋面施工時(shí)A 類支架施加給舊橋的集中荷載。舊橋測點(diǎn)主要布置在第二跨，在跨中梁底橫向布置5 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，在橋面上橫向布置5 個(gè)撓度測點(diǎn)，在試驗(yàn)過程中對測點(diǎn)進(jìn)行測量，如圖2 所示。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

3.2 加載方案

根據(jù)試驗(yàn)工況本次試驗(yàn)分三種加載方法：

工況一：采用兩塊路基箱模擬實(shí)際施工荷載，通過分級加載方式將170t壓重荷載堆載于跨中處路基箱上，模擬定點(diǎn)作業(yè)試驗(yàn)；采用一臺220t 汽車吊空載（不帶配重約71t）由經(jīng)開區(qū)向肥西方向通過一孔跨徑，模擬空載行走試驗(yàn)。

工況二：根據(jù)模擬計(jì)算，最不利工況下，支架單根鋼管樁最大反力為70t。在保留試驗(yàn)有效性的前提下，通過優(yōu)化加載方法，對單根鋼管立柱進(jìn)行加載。采用重物五級加載170t 的方式，重量分別為32.13t、36.23t、37.71t、37.71t、25.00t。

工況三：同工況二，對單根鋼管立柱進(jìn)行加載。在支點(diǎn)處分兩級加載70t，分別為 56t 以及14t。現(xiàn)場加載示意圖如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場加載示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對比三種工況，通過理論計(jì)算可知，工況一下舊橋結(jié)構(gòu)承受荷載最大，為最不利工況，而五級加載舊橋持荷最大。下文主要對工況一下五級加載時(shí)的情況，重點(diǎn)對比分析在跨中位置的應(yīng)變及撓度的理論值與實(shí)測值。

4.1 應(yīng)變結(jié)果分析

在分級加載過程中，對各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與理論應(yīng)變值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)五級加載時(shí)如表1 所示。由表1 可知，各測點(diǎn)總應(yīng)變值均小于理論應(yīng)變值，且全過程中跨中截面及附近混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，抗裂性較好；跨中控制截面最大殘余應(yīng)變?yōu)?.8%，說明結(jié)構(gòu)具有較好的彈性性能，滿足試驗(yàn)要求；在截面中間位置應(yīng)變最大，在截面1/4 和3/4 處應(yīng)變最小；滿載時(shí)跨中控制截面下緣測點(diǎn)應(yīng)變校核系數(shù)取值在0.64～0.72 之間，說明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

表1 試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變對比分析表

4.2 撓度結(jié)果分析

通過荷載試驗(yàn)測得跨中控制截面撓度值，可有效反映出橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度。針對控制截面在荷載試驗(yàn)下取得的實(shí)測撓度與理論撓度進(jìn)行對比，其結(jié)果如表2 所示。各點(diǎn)實(shí)測值均小于理論值試驗(yàn)荷載作用下；跨中控制截面2 號測點(diǎn)處撓度最大，5 號測點(diǎn)撓度最下，均小于規(guī)范限值33.33mm；卸載后跨中截面測點(diǎn)4 的相對殘余撓度最大，小于規(guī)范值20%，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度滿足規(guī)范要求；2 號以及4 號測點(diǎn)處不宜優(yōu)先布置支架。

表2 試驗(yàn)實(shí)測撓度與理論撓度對比分析表

5 結(jié)論

在既有橋梁基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，采用荷載試驗(yàn)的方法可有效反映既有結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的工作性能，以巢湖路舊橋?yàn)槔瑢?shí)測三種工況下舊橋?qū)嶋H的應(yīng)變、撓度同理論值對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在220t 汽車吊定點(diǎn)滿載吊裝作業(yè)時(shí)，舊橋應(yīng)變值及撓度值最大，且實(shí)測值均小于理論值。

（2）試驗(yàn)加載到五級時(shí)，跨中最大撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.72，最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.74，均滿足規(guī)范規(guī)定范圍。殘余應(yīng)變值以及殘余撓度未超過規(guī)范的20%的要求，舊橋在實(shí)際工程中可滿足施工要求。

（3）根據(jù)各測點(diǎn)應(yīng)變及撓度值變化，建議在實(shí)際施工中上部支架放置在截面1/4 或3/4 處，最好布置在測點(diǎn)4 處，盡量避開截面1/2 處。