設計資料缺失的既有橋梁承載力評定技術

向明雯

（官渡區建設工程質量安全監督站，昆明 650000）

1 引言

某項目有2 座簡支梁橋，屬于市政橋梁，擬在橋上通過重載車輛，需對橋梁承載能力進行評定，為后續決策提供依據。但是，因橋梁建設及管理等特殊原因，未搜集到與橋梁結構相關的設計資料，并且橋梁建造時間不詳。如何僅在現場調查的基礎上進行試驗方案設計并評定出橋梁的實際承載力，是本次評定的主要目的。

2 橋梁概況

經現場調查，本次評定的2 座橋梁均位于同一河流上，為上下游關系。橋梁1 位于上游，為單跨預制混凝土空心板梁橋；橋梁2 位于下游，為單跨現澆混凝土T 形梁橋。

3 評定過程

3.1 技術狀況檢查

方案設計前，根據CJJ 99—2017《城市橋梁養護技術標準》[1]的相關要求對各橋梁的技術狀況進行現場檢查，結果顯示，橋梁1 和橋梁2 的技術狀況等級分別為A 級、D 級。

3.2 方案設計

3.2.1 橋梁1

1）靜載實驗

考慮其所在道路屬于城市道路的支路，且技術狀況等級評定結果為A 級，故實驗加載方案設計理論計算時，設計荷載等級取城市-B 級，為確保荷載試驗的有效性及試驗過程安全，計算時控制荷載不計入沖擊作用，但試驗荷載效率按JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》[2]相關規定，取上限值1.05。試驗選用典型的雙橋載重自卸汽車作為試驗荷載車輛，前后軸距為4 m，后軸軸距為1.4 m，試驗前均進行過磅稱重。經計算，試驗時共采用4 輛車輛進行分級加載，車輛與貨物總重取350 kN。

2）動載試驗

現場采用地脈動激勵方法測試橋梁結構的自振周期和模態，測試時在橋梁1/4 跨、跨中以及3/4 跨的3 個截面上布置振動傳感器。阻尼比測試試驗采用波形分析法進行，現場采用350 kN 載重車輛以不同的速度駛離橋面后引起橋梁結構余振，得到橋梁結構應力自由振動衰減波形曲線。

3.2.2 橋梁2

1）靜載實驗

本次試驗加載采用車輛荷載控制，并考慮橋梁結構損傷對承載力影響。根據CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》[3]相關規定，城市-B 級車輛荷載的車輛重力標準值為550 kN，故本次試驗采用試驗車輛的重量=標準值×結構完好狀況評級上限分/100，即550×66/100=363 kN，為便于試驗，試驗車輛與橋梁1 的試驗車輛統一。為準確分析橋梁的實際承載能力，試驗時，以雙橋載重汽車前輪位置作為控制，每前進1 m 持荷并讀取該級荷載作用下控制截面的應力和位移值，并與理論值做比較，出現異常情況及時分析原因，必要時終止加載試驗。

2）動載試驗

結構自振周期和模態的測試方案與橋梁1 相同，阻尼比測試考慮橋梁承載力理論計算結果與試驗車輛荷載比較接近，故現場測試根據現場靜載試驗結果確定是否進行。

3.3 荷載試驗

3.3.1 橋梁1

1）靜載試驗

經試驗，橋梁1 在試驗荷載作用下的應變值和撓度值如下：試驗荷載作用下主要控制截面應變校驗系數為0.25～0.63，實測值均未超過設計理論值，應變的變化規律與理論計算結果吻合較好，卸載后殘余應變均未超過20%。試驗荷載作用下主要控制截面撓度校驗系數為0.24～0.75，實測值均未超過設計理論值，撓度的變化規律與理論計算結果吻合較好，卸載后殘余應變均未超過20%。

2）動載試驗

橋梁1 實測結構1 階自振頻率為8.79 Hz，校驗系數為1.41，實測頻率高于理論計算頻率；實測模態總體平滑，與理論模態基本吻合。自振頻率和模態測試結果如圖1 所示。

圖1 橋梁1 自振頻率和模態測試結果圖

根據現場測試得到的橋梁自由振動衰減曲線計算，不同激振工況作用下，橋梁1 結構阻尼比為3.10%～6.20%，具體計算結果見表1，現場典型的振動衰減曲線及局部放大圖如圖2所示。

圖2 橋梁1 現場典型振動衰減曲線及局部放大圖

表1 橋梁1 各激振工況下阻尼比測試計算結果

采用跑車試驗中行車荷載作用下橋梁結構的動應變曲線計算沖擊系數為1+μ，不同行車荷載工況下，橋梁1 結構實測沖擊系數為1.18～1.43，具體計算結果見表2。現場典型的動應變曲線及局部放大圖如圖3 所示。

圖3 橋梁1 現場典型動應變曲線及局部放大圖

表2 橋梁1 各荷載工況下沖擊系數測試計算結果

3.3.2 橋梁2

1）靜載試驗

經試驗，橋梁2 在試驗荷載作用下的應變值和撓度值如下：試驗荷載作用下控制截面應變校驗系數為0.53～2.16，其中，1#、3#、4#、6#和7#梁實測應變值超過理論計算值，1#、4#、5#梁卸載后測點殘余應變超過20%。試驗過程中，4#梁應變值在加載至第6 級時出現突變，當加載第7 級時應變測量過載（即應變值＞20 000 με，超過應變儀量程），說明加載過程中4#梁跨中應變片位置有新裂縫產生。試驗結束后，對梁體進行裂縫檢查，4#梁體應變片位置確實有裂縫產生，裂縫寬度為0.31 mm，其余位置未發現有新裂縫產生。

試驗荷載作用下，控制截面撓度校驗系數為0.26～0.58，實測撓度值未超過理論計算值，但2#、7#和8#梁卸載后測點殘余撓度超過20%，其余梁相對殘余接近20%。試驗時，在3#、5#和7#梁跨中裂縫位置跨裂縫粘貼應變片，以了解試驗過程中裂縫的變化情況。由測試結果，試驗荷載作用下梁體跨中裂縫均存在變寬情況，最大變化值為0.383 mm（根據應變值計算，實際變化應小于該值），卸載后裂縫均能較好恢復。

2）動載試驗

橋梁2 實測結構1 階自振頻率為2.93 Hz，校驗系數為0.41，實測頻率低于于理論計算頻率，實測模態與理論模態相差較大，存在畸變。自振頻率和模態測試結果如圖4 所示。

圖4 橋梁1 自振頻率和模態測試結果圖

4 承載力評定

4.1 橋梁1

根據荷載試驗結果，該橋承載力無明顯惡化，控制測點應變和撓度校驗系數≤0.40，承載能力檢算系數Z2取1.30。即承載能力可在方案假定為城市-B 級的基礎上提高1.30 倍，即橋梁1 允許通行的車輛限載質量為55×1.3=71.5 t。但考慮橋梁實測沖擊系數最大校驗系數為1.09，試驗方案設計時未考慮沖擊系數，故承載能力根據沖擊系數測試結果進行修正，即橋梁1 的車輛載質量為71.5/1.09=65.6 t。

4.2 橋梁2

根據荷載試驗結果，該橋主要測點應變校驗系數存在大于0.8 的情況，撓度校驗系數小于0.58；頻率校驗系數為0.41，實測與理論模態存在畸變；荷載作用下結構存在開裂。綜合分析，橋梁2 承載能力受結構損傷和材料老化影響顯著，承載力不能滿足城市-B 級的假定，亦不能滿足考慮橋梁整體技術狀況折減后的車輛荷載作用。根據4#、5#、6#、7#梁應變測試結果和3#、5#、7#梁跨裂縫應變監測結果，應變值在荷載加載至第6 級的時候存在明顯的突變，故橋梁2 宜取前一級荷載作用下的計算效應作為橋梁承載力依據。根據理論計算結果，第5 級荷載作用下的效應值與最大荷載效應值之比的平均值為0.33。因此，橋梁2 的承載質量為35×0.33=11.5 t。

5 結語

實際工程中，設計資料缺失的橋梁現場情況往往較為復雜，如何準確把握橋梁總體情況，并制訂具有針對性的荷載試驗方案，是該類橋梁承載力評定結果與實際相符的關鍵。論文通過同一項目而現場情況差異較大的2 座橋梁的承載力評定，通過技術狀況檢查、方案設計和承載力評定，較為詳細地演示了評定過程，對設計資料缺失的既有橋梁承載力評定進行了有益探索，為進一步的技術探索提供參考。