裝配式舊梁橋荷載試驗(yàn)分析與安全評(píng)估

王欣欣 趙潔 關(guān)蕾

摘 要：為了評(píng)定裝配式舊梁橋的安全性及其整體性能，以一座服役18年的3 m×20 m的裝配式舊梁橋?yàn)槔謩e進(jìn)行橋梁外觀(guān)檢測(cè)、靜力荷載試驗(yàn)、動(dòng)力荷載試驗(yàn)和單輛車(chē)加載試驗(yàn)，并采用邁達(dá)斯civil進(jìn)行數(shù)值模擬，再把橋梁的實(shí)測(cè)撓度值、動(dòng)力參數(shù)與有限元模型的理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：1#、2#主梁及中橫隔梁發(fā)生了剛度退化，導(dǎo)致所承擔(dān)的最大荷載比例下降;而與2#梁相鄰的3#梁所承擔(dān)的最大荷載比例增大，出現(xiàn)了-2.3%誤差，出現(xiàn)了荷載橫向重分布現(xiàn)象。因此，依據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，亟須對(duì)該橋進(jìn)行維修加固。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;裝配式梁橋;荷載試驗(yàn);安全評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：U44?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0178-06

Load test analysis and safety assessment of prefabricated old beam bridge

WANG Xinxin，ZHAO Jie，GUAN Lei

（Xi′an Vocational and Technical College，Xi′an 710076，China）

Abstract：In order to evaluate the safety and overall performance of the prefabricated old beam bridge，a 3 m×20 m long bridge with 18 years of service was selected as an example to conduct bridge appearance inspection，static load test，dynamic load test and single vehicle loading test respectively，and the numerical simulation was carried out by Midas civil.Then the measured deflection value and dynamic parameters of the bridge were compared with the theoretical value of the finite element model.The results showed that the stiffness degradation of 1#，2# main beam and middle diaphragm occurs，which led to the decrease of the bridge’s maximum load ratio，while the maximum load proportion of 3# beam adjacent to 2# beam increases，which results in - 2.3% error and lateral load redistribution.Therefore，according to the load test results，it was necessary to repair and strengthen the bridge.

Key words：bridge engineering;prefabricated beam bridge;load test

隨著交通量的日益增長(zhǎng)、裝配式梁橋服役年限的增加以及外界環(huán)境的變化和超載頻繁，裝配式梁橋出現(xiàn)了橋面開(kāi)裂、主梁開(kāi)裂、接縫失效和橫隔梁破損等縱橫向剛度損傷情況，嚴(yán)重影響橋梁荷載橫向分布狀況，導(dǎo)致裝配式梁橋出現(xiàn)單板現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的橋梁坍塌事故[1-5]。因此，如何準(zhǔn)確評(píng)估在役橋梁各構(gòu)件的損傷情況和橫向分布能力，便于橋梁檢測(cè)評(píng)估和加固前的評(píng)判，是廣大橋梁從業(yè)者亟須解決的問(wèn)題。

1 工程概況

該橋于2002年建成，主梁片數(shù)為6片，寬跨比為0.75，上部結(jié)構(gòu)采用3 m×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，全長(zhǎng)為60 m，梁高1.5 m，單個(gè)T梁寬度為2.5 m，橋?qū)?5 m，布置形式為0.5 m+14 m（行車(chē)道）+0.5 m。橫向連接方式為橋面（翼緣）接縫剛接和橫隔梁連接，其中橫隔梁設(shè)置了3片，分別為2片端橫隔梁和1片中橫隔梁。

2 荷載試驗(yàn)過(guò)程及分析

2.1 試驗(yàn)概況及有限元分析

2.1.1 試驗(yàn)概況

荷載試驗(yàn)分為3個(gè)部分：靜力荷載試驗(yàn)主要為了得到在靜載作用下每片主梁的撓度值;動(dòng)力荷載試驗(yàn)主要是為了得到橋梁的模態(tài)參數(shù);單輛車(chē)加載試驗(yàn)是為得到橋梁實(shí)際情況的荷載橫向分布系數(shù)，為其他方法計(jì)算所得的荷載橫向分布系數(shù)提供參照標(biāo)準(zhǔn)。在荷載試驗(yàn)前，對(duì)橋梁進(jìn)行了外觀(guān)檢查，其中發(fā)現(xiàn)橋梁邊跨出現(xiàn)破損情況，如圖2中所示。其中，1#與2#梁之間的橫隔板連接處出現(xiàn)破損與鋼筋嚴(yán)重銹蝕的狀況;1#與2#梁、2#與3#梁的橋面接縫出現(xiàn)連續(xù)裂縫的狀況。此外，1#～3#梁出現(xiàn)不同程度的損傷，表現(xiàn)為主梁部分地方出現(xiàn)腹板側(cè)面豎向裂縫及底面橫向和縱向裂縫;其他主梁和橋面接縫外觀(guān)較為完好。

2.1.2 有限元模擬

基于既有公路20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁的構(gòu)造形式建立梁格模型，每片T梁用縱向構(gòu)件模擬，橫隔板用橫向構(gòu)件模擬，濕接縫采用僅有剛度無(wú)質(zhì)量的虛擬橫梁模擬;荷載等級(jí)采用公路Ⅰ級(jí)加載控制，按照荷載工況進(jìn)行加載，分別進(jìn)行靜動(dòng)載有限元模擬，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1～表5所示。全橋共3跨，劃分1 362個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 361個(gè)單元;其中梁體主要部分共972個(gè)單元，有限元梁格法模型如圖3。

2.2 靜力荷載試驗(yàn)

加載分為中載、偏載以及分級(jí)加載，加載現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

2.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

該橋?yàn)? m×20 m，試驗(yàn)跨選擇邊跨和中跨，共2跨，測(cè)試截面分別為J1和J2;在J1、J2截面的橫向的每片主梁的跨中分別布置撓度測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)截面6個(gè)，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

2.2.2 中載、偏載試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表1、表2及圖6～圖9可知，對(duì)于中跨J2截面整體受力性能好于J1截面，J2截面的理論計(jì)算撓度值均大于實(shí)測(cè)值，各測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)也小于1;說(shuō)明橋梁實(shí)際的安全儲(chǔ)備足夠，還處于彈性階段。而對(duì)于邊跨J1截面，在偏載作用下，1#主梁的校驗(yàn)系數(shù)等于1;在中載作用下，2#主梁的校驗(yàn)系數(shù)接近于1，由公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程（JTG/T J21—2011）的規(guī)定，當(dāng)測(cè)點(diǎn)的靜力校驗(yàn)系數(shù)出現(xiàn)大于1的情況，則表明該梁的承載力出現(xiàn)不足，需要及時(shí)加固維修。因此，需要對(duì)邊跨的荷載橫向分布具體能力進(jìn)行量化評(píng)估，為后續(xù)的加固維修工作做準(zhǔn)備，以下都以邊跨為例進(jìn)行研究。

2.3 動(dòng)力荷載試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)得橋梁前3階的豎向自振頻率及振型，在橋面上布置多個(gè)拾振器，其中在橫向布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)參考點(diǎn);豎向15個(gè)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)參考點(diǎn)，參考點(diǎn)均在伸縮縫以外。多次對(duì)環(huán)境激勵(lì)下橋梁響應(yīng)信號(hào)的功率譜進(jìn)行平均分析，并利用每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的幅度和相位關(guān)系，可獲得橋梁的固有振動(dòng)頻率和模態(tài)值。其加速度信號(hào)由拾振器采集，并通過(guò)放大器放大再由采集儀采集大量加速度信號(hào)。環(huán)境振動(dòng)的采樣頻率為500 Hz，采樣時(shí)間1 500 s，環(huán)境振動(dòng)測(cè)試具體如圖10所示。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)自振頻率如表3所示，其典型的跨中豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)及頻譜分析數(shù)據(jù)如圖11所示，采用隨機(jī)子空間法（SSI）和峰值法（PP）識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)。

由表3可知，自振頻率理論值與實(shí)測(cè)值誤差較大，且階數(shù)越高誤差越大，最大誤差為-45.8%;因此需要對(duì)橋梁的自振頻率進(jìn)行修正。

2.4 單輛車(chē)加載試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

為了檢測(cè)橋梁實(shí)際的荷載橫向傳遞能力，得到每片主梁的實(shí)際荷載橫向影響線(xiàn)，對(duì)試驗(yàn)橋進(jìn)行單輛車(chē)加載試驗(yàn)，對(duì)每片梁的實(shí)際荷載橫向分布進(jìn)行測(cè)試[22]。橋梁是由6片T梁組成，即使左右對(duì)稱(chēng)，但橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間受力并不一定對(duì)稱(chēng)，因此選取1#～6#梁分別進(jìn)行試驗(yàn)。車(chē)輛選擇30 t的車(chē)，車(chē)輛荷載中線(xiàn)縱向布置在橋梁跨中截面，橫向盡量布置在每片主梁的梁肋處，每次只加載一片梁;然后測(cè)試每片主梁跨中截面撓度值，通過(guò)每片梁跨中撓度值得到主梁影響線(xiàn)。車(chē)輛橫向布載位置如表4所示，單輛車(chē)荷載加載試驗(yàn)只選擇邊跨J1截面進(jìn)行測(cè)試，布置6個(gè)位移傳感器，車(chē)輛的具體布置和位移傳感器布置如圖12所示;其中車(chē)輛橫向布載位置，指的是車(chē)輛荷載中線(xiàn)到左欄桿邊緣的距離。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表5的數(shù)據(jù)是由單輛車(chē)加載測(cè)得的每片主梁的跨中數(shù)據(jù)。撓度值以方向向下為正;反之為負(fù)。

由表5各主梁荷載橫向分布影響線(xiàn)進(jìn)行最不利加載，便可以求得每片主梁跨中截面的實(shí)際荷載橫向分布系數(shù)，同時(shí)通過(guò)有限元模型計(jì)算理論的數(shù)值。由表6可知，很明顯1#、2#主梁理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較大;與1#和2#主梁對(duì)稱(chēng)相應(yīng)的5#和6#主梁的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較小，說(shuō)明1#和2#主梁及其橫向聯(lián)系發(fā)生了剛度退化，導(dǎo)致所承擔(dān)的最大荷載比例下降;與2#梁相鄰的3#梁所承擔(dān)的最大荷載比例增大，出現(xiàn)了-2.3%誤差，出現(xiàn)了荷載橫向重分布現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以一座服役了18年的裝配式T梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，分別進(jìn)行了橋梁外觀(guān)檢測(cè)、靜力荷載試驗(yàn)、動(dòng)力荷載試驗(yàn)和單輛車(chē)加載試驗(yàn)，通過(guò)橋梁檢測(cè)及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在偏載作用下，1#主梁的校驗(yàn)系數(shù)等于1;在中載作用下，2#主梁的校驗(yàn)系數(shù)接近于1，這表明其承載力存在不足的情況。此外，1#、2#主梁荷載橫向分布系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較大，這說(shuō)明1#、2#主梁及其橫向聯(lián)系發(fā)生了剛度退化，導(dǎo)致所承擔(dān)的最大荷載比例下降。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭元?jiǎng)祝奂x寧.基于統(tǒng)計(jì)分析的橋梁坍塌事故原因剖析及預(yù)防措施研究[J].中外公路，2017，37（6）：125-133.

[2] 潘言全，馮大鵬.國(guó)內(nèi)橋梁的現(xiàn)狀與應(yīng)解決的問(wèn)題[J].中國(guó)水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2007（8）：78-79.

[3] 姚曉飛，徐岳，付迎春，等.混凝土T梁橋結(jié)構(gòu)體系損傷評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2009，26（6）：79-83.

[4] 姚曉飛，徐岳，丁怡潔，等.公路混凝土T梁橋結(jié)構(gòu)體系損傷評(píng)定[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，35（1）：120-126.

[5] 余波，李勇，孫曉紅，等.左家堡大橋?qū)崢虺休d力破壞試驗(yàn)及分析[J].公路交通科技，2011，28（7）：100-105.