某改擴(kuò)建T 梁橋承載能力分析與評估

韋修箭

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分地區(qū)的高速公路已不能滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，而需對既有高速公路改擴(kuò)建，高速公路改擴(kuò)建項目在當(dāng)前高速公路建設(shè)項目中所占的比重逐年攀升[1-2]。擬改擴(kuò)建高速公路既有橋梁建設(shè)年代一般較早，由于早期橋梁設(shè)計荷載等級偏低以及設(shè)計規(guī)范的更替，需要對既有橋梁進(jìn)行科學(xué)的評估以判斷其是否滿足當(dāng)前設(shè)計要求。

裝配式T 梁橋由于在高速公路橋梁中所占的比重大，是既有高速公路改擴(kuò)建工程中所需要面臨的重點(diǎn)問題。橋梁靜載試驗(yàn)是通過施加荷載對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測試，對于既有橋梁，荷載試驗(yàn)可以評估其使用性能和承載能力，為其繼續(xù)使用、養(yǎng)護(hù)、加固、改建等提供可靠的技術(shù)資料[3-7]。對既有T 梁橋承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確評估，有利于對既有T 梁橋利用與否作出科學(xué)的決策，為改擴(kuò)建方案設(shè)計提供必要的技術(shù)依據(jù)。

文章以某擬改擴(kuò)建高速公路30m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^對該橋進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，測試結(jié)構(gòu)相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，評估該橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力與工作性能，為該橋后期的改擴(kuò)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為其他類似橋梁的承載能力評估提供一定的技術(shù)參考。

1 工程概況

某大橋上部結(jié)構(gòu)采用30m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋，結(jié)構(gòu)簡支，橋面連續(xù)，其跨徑組合為11m×（5×30）m，橋梁采用雙幅分離布置形式，橋梁全寬28.0m。單幅橋橫向共布置6 片T 梁，單片T 梁梁高2.0m。下部結(jié)構(gòu)采用單排雙柱式橋墩，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用9cm 普通混凝土層+10cm 瀝青混凝土面層。橋梁原設(shè)計荷載等級為：汽車-超20 級、掛車-120。單幅橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖（單位：cm）

現(xiàn)由于該高速公路擬進(jìn)行改擴(kuò)建，改擴(kuò)建后的橋梁荷載等級提升至公路-Ⅰ級，需對該橋?qū)嶋H承載能力進(jìn)行檢測評估。

2 靜載試驗(yàn)方案

該T 梁橋原設(shè)計荷載橫向分布系數(shù)采用剛接板梁法計算，基于Midas/Civil 橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析。考慮橋梁擬提升荷載等級，采用橋梁原設(shè)計荷載等級以及擬提升荷載等級分別進(jìn)行計算。

2.1 試驗(yàn)工況

在擬提升荷載等級下，結(jié)構(gòu)控制截面的內(nèi)力較原設(shè)計狀態(tài)下有所提升，為了準(zhǔn)確評估橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，在設(shè)計試驗(yàn)工況時，需考慮兩種不同的荷載等級。同時，該橋已運(yùn)營多年，對于多梁式結(jié)構(gòu)橋梁，梁間橫向聯(lián)系對結(jié)構(gòu)整體受力影響較大，需對結(jié)構(gòu)實(shí)際橫向聯(lián)系性能進(jìn)行測試。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選取以下兩個關(guān)鍵工況作為分析對象：

工況一：跨中截面T 梁間橫向聯(lián)系性能測試；工況二：跨中截面最大正彎矩及撓度工況（偏載）。

2.2 試驗(yàn)加載

對于工況一，采用一輛加載車輛于跨中截面橫向不同的位置進(jìn)行加載，測試在不同加載位置下，T梁跨中截面的撓度分布情況，T 梁間橫向聯(lián)系測試加載平面布置如圖2 所示。

圖2 T 梁間橫向聯(lián)系測試加載平面布置圖（單位：cm）

圖中，Y 為加載車輪位橫向定位參數(shù)，Y 的取值見表1。

表1 T 梁間橫向聯(lián)系測試加載車輪位表

對于工況二，試驗(yàn)加載采用彎矩等效原則，試驗(yàn)加載選用3 軸總重350kN 重載車輛（前軸重70kN、中后軸重140kN），靜載試驗(yàn)效率取0.95～1.05之間[8-9]。為了測試在兩種不同荷載等級等效加載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)，將工況二試驗(yàn)加載分五級，并使在第三級試驗(yàn)荷載下，結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力滿足原設(shè)計荷載等級要求；在第五級試驗(yàn)荷載下，結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力滿足擬提升荷載等級要求。控制截面靜力試驗(yàn)荷載效率見表2。

表2 控制截面靜力試驗(yàn)荷載效率表

2.3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

1）撓度測點(diǎn)布置。在結(jié)構(gòu)跨中截面以及支點(diǎn)截面每片T 梁下布置撓度測點(diǎn)，采用百分表進(jìn)行測試，共計18 個測點(diǎn)。T 梁撓度測點(diǎn)橫斷面布置如圖3 所示。

圖3 T 梁撓度測點(diǎn)橫斷面布置圖

2）應(yīng)變測點(diǎn)布置。選取T 梁跨中截面作為應(yīng)變測試截面，應(yīng)變傳感器沿縱橋向布置于混凝土表面，應(yīng)變測點(diǎn)橫斷面布置如圖4 所示。

圖4 T 梁應(yīng)變測點(diǎn)橫斷面布置示意圖（單位：cm）

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 T 梁間橫向聯(lián)系性能分析

在工況一加載作用下，通過分析橫向不同載位下T 梁跨中截面撓度分布情況，得到各片T 梁跨中截面的橫向影響曲線，如圖5～圖所10 示出各片T梁實(shí)測橫向影響曲線與按剛接板梁法計算的理論橫向分布影響曲線對比情況。

圖5 1#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

圖6 2#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

圖7 3#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

圖8 4#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

圖9 5#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

圖10 6#T 梁實(shí)測橫向影響線與理論計算對比圖

從實(shí)測橫向分布影響曲線與理論值比較關(guān)系圖可以看出：3、4# 梁實(shí)測橫向分布影響線比理論值明顯偏大，說明與3、4#T 梁相關(guān)的橫向聯(lián)系較理論計算情況偏弱，T 梁實(shí)際受力較理論值偏大。

3.2 結(jié)構(gòu)承載能力分析

1）工況二第三級試驗(yàn)加載分析。在第三級試驗(yàn)荷載作用下，測試跨中截面T 梁彈性撓度以及截面下緣的彈性應(yīng)變，分別與按照實(shí)測T 梁橫向影響線計算的理論值以及按照剛接板梁法計算的理論值進(jìn)行對比，如圖11～圖12 所示。

圖11 實(shí)測彈性撓度與理論計算情況對比曲線

圖12 實(shí)測彈性應(yīng)變與理論計算情況對比曲線

通過理論計算與實(shí)測值進(jìn)行對比，T 梁在第三級試驗(yàn)加載作用下?lián)隙扰c梁底應(yīng)變分布具有以下特點(diǎn)：

（1）在偏載作用下，2#、3# 梁跨中截面實(shí)測彈性撓度及應(yīng)變比1# 梁大，2#、3# 梁實(shí)際受力狀態(tài)較為不利，實(shí)測T 梁跨中截面撓度以及截面下緣應(yīng)變分布規(guī)律與按照實(shí)測橫向影響線計算理論值較為相符，與按照剛接板梁法計算的理論值存在較大差異，說明T 梁間實(shí)際橫向聯(lián)系性能與剛接板梁法存在一定差異。

（2）實(shí)測彈性撓度以及彈性應(yīng)變均小于理論計算值，按實(shí)測橫向影響線計算撓度最大校驗(yàn)系數(shù)為0.672，按實(shí)測橫向影響線計算應(yīng)變最大校驗(yàn)系數(shù)為0.863，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明在橋梁原設(shè)計荷載等級下，主梁截面剛度以及強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求。

2）工況二第五級試驗(yàn)加載分析。在第五級試驗(yàn)荷載作用下，測試T 梁跨中截面彈性撓度以及截面下緣的彈性應(yīng)變，分別與按照實(shí)測T 梁橫向影響線計算的理論值以及按剛接板梁法計算的理論值進(jìn)行對比，如圖13～14 所示。

圖13 實(shí)測彈性撓度與理論計算情況對比曲線

圖14 實(shí)測彈性應(yīng)變與理論計算情況對比曲線

通過理論計算與實(shí)測值進(jìn)行對比，T 梁在第五級試驗(yàn)加載作用下，可得到以下結(jié)論：

（1）T 梁跨中截面實(shí)測彈性撓度均小于理論計算值，按實(shí)測橫向影響線計算撓度最大校驗(yàn)系數(shù)為0.696，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明在橋梁擬提升荷載等級下，主梁截面剛度能滿足規(guī)范要求。

（2）2#、3#、4#T 梁跨中截面梁底實(shí)測彈性應(yīng)變大于按實(shí)測橫向影響線計算理論值，實(shí)測應(yīng)變最大校驗(yàn)系數(shù)為1.010，校驗(yàn)系數(shù)大于1，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況相比偏不安全，橋梁現(xiàn)狀承載能力不能滿足擬提升荷載等級要求。

4 結(jié)論

1）通過T 梁間橫向分布性能測試以及跨中最大正彎矩偏載作用下結(jié)構(gòu)撓度及應(yīng)變的分布規(guī)律，可以得到T 梁實(shí)際橫向聯(lián)系性能與剛接板梁法存在一定差異，在偏載作用下，2#、3# 梁的實(shí)際受力比1#梁更不利。

2）通過第三級試驗(yàn)加載結(jié)果，可以得到主要測點(diǎn)的撓度及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均在合理范圍內(nèi)，在橋梁原設(shè)計荷載等級下，主梁截面剛度以及強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求。

3）通過第五級試驗(yàn)加載結(jié)果，可以得到主要測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求；2#、3#、4#梁底測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，橋梁實(shí)際承載能力不能滿足擬提升荷載等級要求。

4）基于現(xiàn)場橋梁荷載試驗(yàn)，可以全面地掌握該橋的結(jié)構(gòu)受力特性，準(zhǔn)確評估其承載能力，該橋在后期改擴(kuò)建過程中，應(yīng)針對T 梁間實(shí)際荷載橫向分布特性以及強(qiáng)度富余不足進(jìn)行相關(guān)的處治措施，為后期該橋改擴(kuò)建設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。該橋所采用的承載能力評估方法，合理可行，可供其他類似橋梁承載能力評估借鑒。