水利工程河道橋承載能力評估與分析

王倩男

(上海中測行工程檢測咨詢有限公司，上海 200438)

1 工程概況

某預應力簡支梁橋建成于2007年，該橋橫跨某水利工程河道。其上部主要由預應力空心板構成，共5跨，每跨9片空心板；板式橡膠支座；其下部用樁柱式墩臺。

2 評估目的

采用靜荷載、動荷載試驗，系統地評估與分析該既有梁橋結構的剛度、強度、振動特性、正常使用性能等，全面評價該河道橋結構體系的承載能力。

3 靜荷載試驗評估與分析

經各方技術核定，選靜載試驗對象為河道橋第5跨，主要檢測參數為：控制截面撓度與應變、裂縫檢測(加載過程中觀察橋面板、橋臺混凝土是否產生裂縫)[1]。

3.1 測點布置

根據該河道梁橋的實際結構與受力情況，通過橋梁有限元分析軟件Midas/Civil建模計算，分析選擇出靜荷載試驗測試截面位置為第5跨跨中。采用振弦式應變計測定各控制截面的應變值；將棱鏡布置于橋面各控制截面上，通過全站儀檢測靜荷載作用下的撓度值。

3.2 試驗加載方案

根據橋梁實際情況及設計要求，確定公路-Ⅱ級，人群荷載3.5KN/m2為該河道梁橋的理論計算荷載，根據橋跨結構跨中截面的布置及受力特點建立橋梁整體空間模型，計算結果如下：①偏載工況下主梁彎矩588.3 kN·m，撓度-11.4mm；②偏載工況下主梁彎矩555.0kN·m，撓度-11.1mm。

加載車輛：為滿足規范規定荷載試驗效率要求，本次試驗選取2輛四軸載重車輛作為試驗荷載，為方便布載，所有重車均進行編號，正式加載前對各車輛進行過磅稱重，實際加載時精確記錄車輛實際加載位置，加載車軸重信息如下：

重車①軸重：第1軸8.43t、第2軸8.43t、第3軸16.89t、第4軸16.89t；

重車②軸重：第1軸8.27t、第2軸8.27t、第3軸16.71t、第4軸16.71t。

加載布置及加載效率系數：車輛加載位置根據各測試斷面的設計內力值和規范規定的試驗荷載效率條件來確定。根據主梁斷面彎矩影響線，可確定測試控制截面，本次試驗設置2個加載工況，每個工況分3級加載，試驗車輛加載布置示意圖見圖1。

Ⅰ 偏載工況：第1跨控制截面最大正彎矩 Ⅱ 中載工況：第1跨控制截面最大正彎矩

根據上述車輛加載位置，可以得到跨中控制截面主梁的試驗荷載效率測定結果如下：(偏載工況)測試彎矩564.9 kN·m，設計彎矩588.3 kN·m，測試彎矩與設計彎矩之比0.96；(中載工況)測試彎矩536.3 kN·m，設計彎矩555.0 kN·m，測試彎矩與設計彎矩之比0.97。各測試截面靜載試驗荷載效率滿足JTG/TJ21-01-2015規定的0.95-1.05要求。

加載方案：首先對橋梁實施預加載環節，在預加載卸載后，須等結構得到充分零恢復以后，方可再進入正式加載環節。正式加載采用分級加載方式，測試加載流程，見表1[2]。

表1 測試加載流程

3.3 靜荷載試驗結果

在各工況作用下，進行結構控制截面應變、撓度測試，偏載工況作用下控制截面應變測試結果，見表2，典型工況作用下實測撓度及理論分析結果見表3，其中：“+”表示拉應變，“-”表示壓應變。偏載工況作用下控制截面撓度測試結果，見表3。

表2 偏載工況作用下控制截面應變測試結果 με

表3 偏載工況作用下控制截面撓度測試結果 mm

通過對該橋撓度和應變在控制荷載工況作用下的數據分析可以得出：在試驗荷載作用下，該橋應力與撓度校驗系數均≤1.0；該橋測試斷面卸載后其相對殘余應變及撓度均未超過20%，橋梁結構在卸載后能夠及時恢復。

4 動荷載試驗評估與分析

4.1 結構自振特性測試

該河道橋為5等跨簡支梁橋，采用有限元分析軟件midas/civil建立結構模型，進行模態分析，得出順橋向對稱振動結構第1階自振頻率：3.49 Hz，周期0.29s，河道橋第一階振型，見圖2。

圖2 河道橋第1階振型

4.1.1 試驗內容及測點布置

通過測定橋梁由風荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動來識別結構自振特性參數(自振頻率、振型及阻尼比)，在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，本次脈動試驗采樣時間30min，根據JTG/TJ21-01-2015規定，對簡支梁測試出第1階自振頻率及振型，所有測點均布置在橋面上。自振頻率及振型的測量傳感器采用891-II型加速度傳感器，后續的調理器及數據采集設備采用INV 3020C動態信號采集分析系統。

4.1.2 結構自振特性分析

一般在橋梁結構存有缺損等情況下，其自振頻率會有所下降，振型出現變異。本次順橋向對稱振動試驗結構頻率理論值為3.49Hz、頻率實測值為5.15Hz，頻率比1.48，橋梁的第1階振型頻率值均大于第一階振型頻率理論值，表明結構實際整體剛度大于理論剛度。

4.2 結構動力特性測試

4.2.1 試驗內容及測點布置

結構動力特性測試時，采用載重汽車勻速通過橋跨結構，根據控制截面測點在跑車試驗時記錄的動應變或動撓度曲線進行分析處理得出活載沖擊系數—動力系數，可按以下公式進行計算。

(1)

式中：ymax為動載作用下該測點最大應變(或撓度)值；ymean為相應的靜載作用下該測點最大應變值(或撓度)值，其值可由動應變(或動撓度)曲線求得：

(2)

式中：ymax為相應的最大應變(或撓度)值；ymin為相應的最小應變(或撓度)值。

4.2.2 跑車試驗結果

試驗采用一輛載重汽車，以不相同的速度勻速通過橋跨結構，橋梁典型控制截面測點的動應變時間歷程響應曲線，應變時程曲線(15km/h無障礙行車情況)見圖3。

圖3 應變時程曲線(15km/h無障礙行車情況)

動荷載試驗得出：實測中跨跨中沖擊系數平均值μ=0.071，最大沖擊系數μ=0.123，均低于理論沖擊系數(μ=0.205)，說明橋梁結構平順。

5 結 語

經承載能力檢測評估與分析：該河道梁橋結構在靜荷載作用下，整體剛度較大，強度及承載能力可滿足設計規范與設計荷載運營要求。在動荷載作用下，橋梁第一階振型實測頻率大，實測沖擊系數小，橋梁整體結構平順，實際剛度滿足要求。