無資料舊橋重型交通車輛安全評估檢測研究

劉 輝

(中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 前言

1.1 工程背景

某待安全評估橋梁是一座無法找到設計及竣工資料的4跨簡支橋，現場實測各跨橋長均為16 m，橋面寬度8 m，主梁為現澆T梁，橋頭銘牌顯示該橋修建于1993年。該橋的立面圖和橫斷面圖如圖1所示。

圖1 橋梁示意(單位:cm)

1.2 試驗目的

由于工程建設的需要，該橋計劃需要通行包括泥頭車、平板車等在內的重型交通車輛。但是該橋在其使用期間并沒有進行相關檢測，目前的安全狀況尚不明確。因此，需要準確地對該橋在擬定的通行荷載標準下的結構安全性進行評估。

1.3 重型車輛通行需求

該橋擬通行工況為:(1)100 t平板車靠邊正常速度獨立通行。(2)100 t平板車沿中線正常速度獨立通行。(3)40 t泥頭車靠邊正常速度通行、15 t空載泥頭車正常速度回程相遇。

1.4 安全評估內容及流程[1-2]

對該橋在擬定的通行荷載標準下的結構安全評估按以下流程:(1)理論分析。通過理論分析初步判斷通行可行性。(2)常規檢查及混凝土強度檢測。通過對主體結構進行外觀檢查，初步判斷各部件功能是否完善有效；通過混凝土強度檢測了解其混凝土性能。(3)靜動載試驗。在使用荷載作用下的工作狀態是否處于彈性工作范圍，然后對其結構性能及實際承載能力做出評估，以評定該橋能否滿足正常使用。

2 理論分析

2.1 分析思路

(1)經過現場調查該橋的建造信息，地理位置及路線情況，該橋原設計荷載標準為《89橋規》中的“汽-20、掛-100”荷載等級。計算舊橋各T梁在原設計荷載標準(汽-20、掛-100)對應工況下的最不利荷載值(跨中彎矩)[3]。

(2)計算各T梁對應實際工況擬定的重型車通行下的最不利荷載值(跨中彎矩)，對比分析其與原設計荷載標準下最不利荷載值(跨中彎矩)的關系，以理論計算對比的方式確定該橋是否安全[4]。

(3)在確保橋梁試驗安全的前提下，通過采用等效彎矩的方法，擬定加載車輛試驗荷載的大小及位置，合理制定試驗方案，得出各T梁在試驗荷載下的荷載效應[5]。

2.2 加載說明[6]

利用有限元計算軟件建立基于梁單元的有限元橋梁模型以后，在橋梁模型上添加車道荷載。其中，荷載采用《89 橋規》汽-20、《89 橋規》掛-100，另外100 t平板車、物料車的荷載情況分別如圖2～圖3所示，人群荷載為3.5 kN/m2。汽車荷載的沖擊系數根據《89橋規》計算得到。

圖2 平板車加載示意(單位:m、kN)

圖3 泥頭車加載示意(單位:m、kN)

2.3 理論分析驗證數據[7-8]

根據簡支橋計算理論，邊梁為受力最不利，為計算控制梁，對應不同荷載工況下的計算結果如表1所示。

表1 邊梁在各荷載工況下荷載效應

從表1數據可以看出，該橋的邊梁的設計彎矩由《89橋規》的掛車－100荷載等級所控制，為723.1 kN·m。擬通行荷載工況1下的彎矩值大于原設計彎矩值，因此該擬通行荷載相對于原設計荷載而言是不安全的。

擬通行荷載工況2與工況3下的彎矩值小于原設計彎矩值，因此該兩種擬通行荷載相對于原設計荷載而言是安全的。

另外，采用等效彎矩的方法可以計算出試驗荷載為:一輛43 t物料車偏右靜止放置以及另一輛43 t物料車靠在偏右車輛旁靜止放置。此時邊梁的彎矩值為716.0 kN·m，試驗彎矩值與設計最不利彎矩比值為0.99，滿足《檢測規范》規定的荷載效率取值范圍為0.8～1.0之間的要求。

根據該橋理論分析結果，可以得出以下結論。

(1)相對于原設計荷載而言，100 t平板車安全通過該橋的條件是:只能沿橋中線一輛車單獨通過，通過時保持速度小于30 km/h。

(2)相對于原設計荷載而言，泥頭車安全通過該橋的條件是:40 t泥頭車常速前行，15 t泥頭車(空載)正常速度回程，通過時的速度應小于30 km/h。

(3)試驗荷載的彎矩值與設計最不利彎矩的比值為0.99，荷載效率系數滿足相關檢測規范要求，靜載試驗在該等效荷載進行是可行的。

3 常規檢查

外觀質量檢查以近距離目視觀察為主，檢查包括:橋面系、上部結構、支座、下部結構、其他附屬設施檢查。檢查結果顯示:該橋主要承重構件基本完好，未見明顯結構性病害。但是0號及4號橋臺存在明顯橋頭跳車病害，在載重車通過該位置時，會對1＃及4＃跨主梁產生較大的沖擊，從而導致或加速1＃及4＃跨主梁的損壞，影響其結構的耐久性。應對跳車位置進行處理，使橋面平順化。

該橋各跨主梁的混凝土標號為C40，橋墩的混凝土標號為C35。

4 靜載試驗

4.1 靜載試驗試驗荷載[9-10]

根據理論分析結果，靜載試驗的試驗荷載為:一輛43 t物料車偏右靜止放置以及另一輛43 t物料車靠在偏右車輛旁靜止放置于橋跨中。加載位置如圖4所示。

圖4 加載試驗荷載位置(單位:cm)

4.2 撓度試驗結果

靜載試驗在跨中截面處共布置4個撓度測點，如圖5所示。

圖5 撓度測點位置(單位:cm)

在各級荷載作用下，該橋試驗跨實測撓度結果如表2所示。

表2 各工況下測點的撓度實測值 mm

由表2可知，對應試驗各跨梁所布置測點的撓度校驗系數在0.8～0.95之間，符合檢測規范指標(校驗系數應在0.7～1.05)。所有測點撓度的殘余比均滿足檢測規范中“殘余比應小于20%”的要求，說明該橋板梁結構仍處于彈性工作狀態。

實測最大撓度小于26.7 mm(即L/600)，滿足《04橋規》第6.5.3條的規定。

4.3 應變試驗結果

在簡支梁跨中截面布置10個測點觀測應變，測點位置如圖6所示。

圖6 應變測點位置示意

在各工況下，該橋試驗跨(第1跨)應變實測數據結果如表3所示。

表3 試驗跨各工況下測點的實測應變值 με

由表3可知，對應試驗各跨梁所布置測點的撓度校驗系數在0.75～0.95之間，符合檢測規范指標(校驗系數應在0.7～1.05)。所有應變測點的殘余比均在7%以內，滿足檢測規范指標(殘余比應小于20%”)，試驗表明橋梁結構仍處于彈性工作狀態。

4.4 裂縫效應

試驗前和試驗的過程中，沒有出現明顯橫向受力裂縫。

4.5 靜載試驗結果

該橋試驗跨(第1跨)實測撓度及應變的校驗系數基本滿足檢測規范的規定，撓度、應變的殘余比均滿足檢測規范的要求，最大撓度值滿足橋規的要求，試驗過程中主梁沒有出現橫向受力裂縫，由此可以判斷該橋各跨在最大試驗荷載作用下處于正常工作狀態。

因此，該橋試驗跨(第1跨)的強度、撓度不但滿足原設計荷載標準(汽-20、掛-100)要求，同時也滿足擬通行荷載需求。

5 動載試驗

5.1 動載試驗內容

該橋動載試驗按如下兩種工況進行動載試驗:

(1)橋梁無車輛通行工況下，量測橋梁在受環境自然激勵條件下的固有振動頻率[11]。

(2)在汽車分別以20 km/h、30 km/h的行駛速度進行跑車使橋梁產生受迫振動的工況下，量測橋梁的振動頻率、振幅以及沖擊系數。

動態拾振傳感器測點沿橋跨按圖7布置在橋面各跨跨中，通過在動荷載作用下，測量其動態響應的變化[12]。

圖7 動態測點布置

5.2 動載試驗結果

該橋在環境自然激勵下和跑車等各種動載試驗工況下的實測數據結果匯成于表4中，其中自然脈動頻譜圖如圖8所示。

圖8 自然脈動各跨測點頻譜

表4 各跨實測自振頻率

該橋按照梁理論計算得到的第一階自振頻率為8.8 Hz，實測該橋4跨的振動頻率分別為:9.10 Hz、9.11 Hz、9.08 Hz及 9.21 Hz，各跨實測的自振頻率均大于理論值，表明橋梁結構實際整體剛度大于設計要求剛度，滿足設計要求。

該橋第2、3跨在各種速度的跑車工況下的實測沖擊系數小于按規范理論計算的沖擊系數1.218，滿足設計要求。但第1、4跨在30 km/h的跑車工況下的實測沖擊系數在1.226～1.231之間，略大于按規范理論計算的沖擊系數1.218。結合外觀檢查結果分析可知，其主要是由于第1、4跨橋頭線形不平順導致出現嚴重的橋頭跳車現象，從而導致實測沖擊系數較大，長期會加速或導致1＃及4＃跨主梁的損壞，影響其結構的耐久性。因此需對該位置的橋頭跳車病害進行處理，使入口橋面平順化。

6 結束語

6.1 安全評估結論

(1)從理論分析結果來看，100 t平板車通行的條件是:只能沿橋中線一輛車單獨通過，通過時保持時速小于30 km。泥頭車安全通過該橋的條件是:40 t物料車常速前行，15 t泥頭車(空載)正常速度回程，通過時的時速應小于30 km。

(2)外觀檢查表明該橋橋臺、橋墩、主梁、支座均基本完好，未見明顯結構性病害。但0號及4號橋臺存在明顯橋頭跳車等病害。

(3)通過靜載試驗結果表明，該橋試驗跨的強度、剛度均滿足原設計荷載標準(汽-20、掛-100)要求，也滿足施工單位提出的“100 t平板車沿中線正常速度獨立通行”與“40 t泥頭車(滿載)靠邊正常速度通行、15 t泥頭車(空載)正常速度回程相遇”的荷載標準。

(4)動載試驗結果顯示非試驗跨(第2～4跨)與試驗跨(第1跨)的動力特性狀況基本一致，故可認為該橋各跨的通行能力基本一致。

6.2 研究總結

本文以某無資料舊橋通行重型車輛安全評估檢測為背景，首先從理論上計算判斷通行的可行性，然后通過試驗對理論計算的通行能力進行論證，最終得到了安全評估結果。文中采用的安全評估方法可為類似項目提供有益參考。