橋梁加固前后性能參數(shù)分析

王振吉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著交通量和車輛載重日益增長(zhǎng)，危橋數(shù)量不斷增加，對(duì)這些危舊橋梁一律予以拆除重建是不科學(xué)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。國(guó)內(nèi)外資料表明[1-3]，舊橋的加固改造與拆除重建相比更經(jīng)濟(jì)，不但可以節(jié)省大量的資源，而且產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，且對(duì)維護(hù)公路交通正常運(yùn)營(yíng)、保證沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有積極意義[4-5]。

橋梁加固前后整體受力性能對(duì)比分析是十分必要的，對(duì)全面衡量橋梁加固的實(shí)際效果具有重要意義。通過(guò)對(duì)遼寧省內(nèi)橋梁加固前后荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，重點(diǎn)對(duì)比分析相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)、跨中撓度、自振頻率、沖擊系數(shù)等在內(nèi)的各參數(shù)改善情況，總體上分析加固前后橋梁受力性能的改善程度。

1 相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)改善情況

橋梁的殘余變位(應(yīng)變)是指試驗(yàn)荷載卸載后橋梁結(jié)構(gòu)主要測(cè)點(diǎn)剩余的變位值(或者應(yīng)變值)。理論上結(jié)構(gòu)處于彈性階段殘余變位(應(yīng)變)是零，而當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷或進(jìn)入塑性階段時(shí)，根據(jù)塑性程度的不同就會(huì)產(chǎn)生不同大小的殘余變位(應(yīng)變)，通過(guò)殘余量的大小可以間接評(píng)定橋梁承載能力狀況?！豆窐蛄撼休d能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)中規(guī)定當(dāng)主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變位或相對(duì)殘余應(yīng)變超過(guò)20%即判定橋梁承載能力不滿足要求。

相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)是反映橋梁承載能力狀況的指標(biāo)之一。當(dāng)相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)較小時(shí)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性階段，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好，承載能力滿足運(yùn)營(yíng)要求；當(dāng)相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)較大時(shí)，說(shuō)明梁體出現(xiàn)裂縫或者進(jìn)入塑性階段，承載能力下降嚴(yán)重。因此，提出相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)指標(biāo)的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也可間接衡量橋梁承載能力狀況。相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)按下列公式計(jì)算：

按上述公式的計(jì)算方法，共統(tǒng)計(jì)了25座加固后橋梁66個(gè)測(cè)點(diǎn)和20座加固前橋梁59個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)數(shù)據(jù)，匯總?cè)绫?。

表1 相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合圖1及統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出，總體上加固前與加固后橋梁的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)指標(biāo)分布規(guī)律基本相同，甚至出現(xiàn)加固前好于加固后的情況。其中，0～5%范圍內(nèi)的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)占到了75%左右，其他范圍的占有率較為平均。

圖1 相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)改善情況

2 跨中撓度改善情況

跨中撓度改善率是指靜荷載試驗(yàn)過(guò)程中橋梁跨中主要撓度測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值相較于理論值的改善程度，按下列公式計(jì)算：

式中：Rw表示跨中撓度改善率；whi表示加固后第i根梁跨中撓度實(shí)測(cè)值；wdi表示加固后第i根梁跨中撓度設(shè)計(jì)值。

跨中撓度的大小反映了橋梁縱向抗變形的能力。從計(jì)算公式可以看出，跨中撓度改善率可間接反映橋梁縱向剛度的改善情況。即當(dāng)跨中撓度改善率較大時(shí)，跨中撓度遠(yuǎn)小于理論設(shè)計(jì)值，說(shuō)明橋梁縱向抗變形能力大，縱向剛度滿足要求。當(dāng)跨中撓度改善率較小時(shí)，跨中撓度偏離理論設(shè)計(jì)值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，縱向剛度降低[6]。

因此，提出跨中撓度改善率指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比分析加固前與加固后橋梁跨中撓度改善率的分布規(guī)律，根據(jù)改善率的不同評(píng)價(jià)加固后橋梁縱向抗變形能力的改善情況。共統(tǒng)計(jì)了33座加固后橋梁404個(gè)測(cè)點(diǎn)和19座加固前橋梁362個(gè)測(cè)點(diǎn)的跨中撓度改善率數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 跨中撓度改善率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合圖2及統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出，加固前橋梁跨中撓度改善率分布在0.47～1.59范圍內(nèi)，大部分在0.60～0.85之間，0.50以內(nèi)很少，部分高達(dá)0.85～1.00，甚至少部分撓度校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)了1.00，總體上說(shuō)明加固前橋梁的跨中撓度改善率偏高。加固后橋梁跨中撓度改善率分布在0.15～1.00范圍內(nèi)，0.50以內(nèi)占有比例較高，0.50～0.80范圍內(nèi)占有比例較為平均，0.80～1.00范圍內(nèi)占有比例逐漸降低，特別是0.90～1.00范圍內(nèi)占有比例很低小，可見(jiàn)加固后橋梁的跨中撓度得到了不同程度的改善。

圖2 跨中撓度改善情況

3 沖擊系數(shù)改善情況

沖擊系數(shù)大小反映了橋梁的動(dòng)力特性。當(dāng)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小于其理論設(shè)計(jì)值時(shí)，說(shuō)明橋梁動(dòng)力特性較好。當(dāng)測(cè)沖擊系數(shù)大于其理論設(shè)計(jì)值時(shí)，說(shuō)明橋梁的動(dòng)力特性較差。因此，沖擊系數(shù)改善率指標(biāo)，衡量橋梁沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值偏離設(shè)計(jì)值的程度，以此評(píng)價(jià)橋梁加固后的動(dòng)力情況，按下列公式計(jì)算沖擊系數(shù)改善率：

式中：Rμ表示沖擊系數(shù)改善率；μh表示加固后橋梁沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值；μd表示加固后沖擊系數(shù)理論設(shè)計(jì)值。

按上述公式的計(jì)算方法，共統(tǒng)計(jì)了31座加固后橋梁161個(gè)工況和26座加固前橋梁98個(gè)工況下的沖擊系數(shù)改善率數(shù)據(jù)，匯總?cè)绫?。

表3 沖擊系數(shù)改善率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合圖3及統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出，總體上相較于加固前，加固后橋梁的沖擊系數(shù)明顯降低。加固前橋梁沖擊系數(shù)改善率分布在2.9%～20.8%范圍內(nèi)，大部分在0～5%之間，5%～25%范圍內(nèi)較為平均，可見(jiàn)加固前橋梁的沖擊系數(shù)較高，橋梁動(dòng)力性能較差。加固后橋梁沖擊系數(shù)改善率分布在-27.3%～13%范圍內(nèi)，大部分在-30%～-10%之間，小部分在-10%～10%以內(nèi)，一部分在10%～15%之間，這說(shuō)明橋梁在加固后的沖擊系數(shù)得到了不同程度的改善。

圖3 沖擊系數(shù)改善情況

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)遼寧省內(nèi)橋梁加固前后荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，分析相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)、跨中撓度和沖擊系數(shù)等在內(nèi)的各參數(shù)改善情況。得到結(jié)論如下：

(1)總體上加固前與加固后橋梁的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)指標(biāo)分布規(guī)律基本相同，其中，0～5%范圍內(nèi)的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)占到了75%左右，其他范圍的占有率較為平均，可見(jiàn)加固后橋梁的相對(duì)殘余變位(應(yīng)變)改善程度一般。

(2)加固后橋梁跨中撓度改善率分布在0.15～1.00范圍內(nèi)，0.50以內(nèi)占有比例較高，其余范圍內(nèi)占有比例逐漸降低，可見(jiàn)加固后橋梁的跨中撓度得到了不同程度的改善。

(3)加固后橋梁沖擊系數(shù)改善率大部分在-30%～-10%之間，這說(shuō)明橋梁在加固后的沖擊系數(shù)得到了不同程度的改善。