基于靜力荷載試驗方法對舊城市橋梁檢測評估分析

黃業川

(重慶市市政設計研究院有限公司,重慶 400020)

隨著城市的快速發展,橋梁建設也在不斷增多。橋梁作為我們日常生活中通行必不可少的一種建筑物,橋梁的安全運營已成為我們日常通行的安全保障。對于早期建設、缺乏竣工和設計資料以及帶病工作的橋梁,橋梁結構的安全運營尤為重要。基于荷載試驗方法,對舊城市橋梁采用分荷載等級、分加載車數量的方式進行檢測評估分析。

1 靜力荷載試驗加載方式

由于舊城市橋梁缺乏竣工和設計資料,為保證荷載試驗期間加載安全,橋梁按以下荷載標準依次進行試驗：公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%,汽車荷載按規范規定計入沖擊系數。在每1 級荷載標準作用下,現場每1 加載工況嚴格按照4～5 級分級方式進行加載,從而全面掌控橋梁在試驗過程中實際受力情況。例如：在公路-Ⅱ級荷載標準80%作用下,經計算加載車需要3 輛,則現場每1 靜力加載工況可分為4 級進行加載,即：第1 級加載(25%控制)、第2 級加載(50%控制)、第3 級加載(75%控制)、第4 級加載(100%控制),其余荷載等級加載分級以此類推。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

該橋為一座混凝土簡支梁橋,空心板橋建于1999 年,分為左右兩幅,單幅四車道；右幅為預應力混凝土空心板梁橋,全長54.0m,共2 跨,每跨20.0m；左幅為混凝土簡支T 梁橋(缺乏相關資料),經現場實測,總長39.0m,共2 跨,每跨19.5m。橋面全寬31.31m(1.76m人行道+12.80m車行道+2.5m中央分隔帶+14.00m車行道+0.25m防撞護欄)。

上部結構左幅為混凝土簡支T梁橋,右幅為預應力混凝土空心板梁橋。左幅T梁橋由于修建時間較早,缺少竣工圖紙,其外觀尺寸根據現場實測,左幅由7 片T 梁組成,T 梁梁高1.3m,梁頂寬1.62m,底寬0.18m,腹板高1.15m,翼緣板厚0.1m。右幅由19 片空心板組成,板高0.9m,底寬1.0m,主梁材料均采用40 號混凝土,左右兩幅橋面通過鋼板和現澆橋面板橫向連接。下部結構左幅單排共2個樁柱式橋墩,右幅單排共4 個樁柱式橋墩,橋臺為重力式U型橋臺,基礎為擴大基礎。

2.2 項目背景

XX年XX月,根據表觀檢測結果,依據《城市橋梁養護技術標準》(CJJ 99-2017)評定該橋整體技術狀況等級為C 級,為合格狀態；橋面系的結構狀況等級為E 級,橋面鋪裝破損嚴重；上部結構的結構狀況等級C級,T梁存在多條豎向裂縫,上部結構加固鋼板錨固螺栓松動,下部結構的結構狀況等級為B級。根據《城市橋梁養護技術標準》(CJJ 99-2017)第3.0.5 條,橋面系結構技術狀況為E 級,處于危險狀態,應對橋梁檢測評估后進行大修、加固或改擴建；上部結構的結構技術狀況為C 級,處于合格狀態,應對橋梁進行針對性小修或局部中修。

由于該橋日常交通量大,其橋梁安全對交通安全影響極大,為保障橋梁結構的運營安全,進一步探明橋梁橋面鋪裝嚴重受損具體原因,需對該橋進行橋梁荷載試驗,主要目的為：

2.2.1 通過橋梁荷載試驗,驗證橋梁上部結構承載能力是否滿足公路-Ⅰ荷載標準,并分析橋梁上部結構空心板、T梁橫向分布規律是否正常,橋梁是否存在單梁受力情況,進一步分析橋面系嚴重破損的具體原因。

2.2.2 橋梁荷載試驗期間,通過對橋梁原主要病害進行觀測,對比橋梁原主要病害變化程度,以及橋梁荷載試驗期間是否有新增病害,進一步分析病害對橋梁結構運營安全的影響。

2.2.3 通過橋梁荷載試驗,掌握橋梁的整體工作狀態,對橋梁結構在運營過程中的安全性做出綜合評價,并對存在隱患的部位進行分析,提出針對性的建議。

2.2.4 為橋梁后續的養護、維修提供可靠的數據及依據,保證橋梁結構的長期安全運營。

2.3 橋梁荷載試驗

2.3.1 設計控制荷載

該橋分為左右兩幅(見圖1-2),左右兩幅橋橋面交接處通過鋼板和現澆橋面板橫向連接,該連接型式對左右兩幅橋梁受力傳遞的影響較小,因此本次荷載試驗未考慮左右兩幅橋面橫向連接處的影響,對左右兩幅橋按照獨立的結構體系進行荷載試驗計算。

圖1 右幅空心板橋模型

圖2 左幅T 梁橋模型

為保證本次橋梁荷載試驗的加載安全,本橋設計控制內力未考慮梁底加固鋼板的影響,左右幅橋梁按以下荷載標準依次進行試驗：公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%。汽車荷載按規范規定計入沖擊系數,計算控制截面的內力值(彎矩)并以此作為試驗加載的依據。本次試驗以左幅T梁橋為例進行詳細介紹。

2.3.2 測試截面及測點布置

根據委托要求并結合試驗橋梁的規模、受力特點確定測試截面位置。根據現場實際情況,左幅T梁橋靜載試驗測試截面位于第1 跨距0#橋臺伸縮縫中心線9.75m處,測試截面的應力及撓度測點布置見圖3-4 所示。

圖3 ZJ1 截面應變測點布置圖(單位：cm)

圖4 ZJ1 截面撓度測點布置圖(單位：cm)

2.3.3 試驗荷載

以設計正常使用荷載作為加載控制,按測試截面內力(彎矩)等效原則進行布載,并使測試截面的試驗荷載效率滿足檢測規程的要求。加載車輛規格以及數量根據結構分析以及荷載等效計算結果確定。本次試驗加載車輛用車量為5 臺,車輛規格為三軸車,前后軸距3.8m～4.2m,后軸距車尾距離c<2.0m,橫向輪距1.8m,總重(含自重)40.0t,前軸重10.0t,中- 后軸重30.0t。正式試驗前,對所有加載車輛均進行過磅稱重。

2.3.4 靜力荷載效率及荷載布置

橋梁荷載試驗期間,左右幅橋梁按以下荷載標準依次進行試驗：公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%。本次荷載試驗共進行12 個靜力試驗加載工況。每1 加載工況嚴格按照4～5 級分級方式進行加載。以下僅列出左幅T 梁橋在公路-Ⅱ級荷載標準80%作用下1 個靜力加載工況荷載試驗效率,以及ZJ1 截面M+max截面正載加載工況分級加載荷載布置示意圖,其余荷載等級加載分級以此類推。

2.3.4.1 左幅T梁橋公路-Ⅱ級荷載標準80%加載(表1)

表1 靜力試驗荷載效率

2.3.4.2 ZJ1 截面M+max截面正載加載荷載布置圖(圖5)

2.3.5 靜力荷載試驗檢測結果

按預定的荷載試驗方案,本次T梁橋靜力荷載試驗共進行了6個工況的靜力加載。以下僅列出左幅T梁橋在公路-Ⅱ級荷載標準80%作用下ZJ1 截面M+max截面正載加載實際檢測結果。

2.3.5.1 試驗荷載作用下,撓度實測結果及與計算值的比較見表2。

圖5

表2 實測撓度及與計算值的比較

表3 測試截面T 梁實測應力及與計算值比較

圖6

2.3.5.2 試驗荷載作用下,根據實測應變以及材料彈性模量理論值換算測點應力,實測彈性應力結果與計算值的比較見表3。

2.3.5.3 左幅T梁橋ZJ1 截面M+max正載加載實測撓度值與計算值比較分析、實測彈性應力與計算值比較分析如圖6 所示。

2.3.6 靜力荷載試驗結論

試驗橋跨結構經歷了由公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%的靜力試驗加載,試驗過程中未發現異常現象。

2.3.6.1 結構強度。在最不利靜力試驗荷載(公路-Ⅰ級工況)作用下：(1)左幅T梁橋試驗橋跨應力測試截面T 梁梁底的實測應力處于正常范圍,荷載卸除后,控制測點的最大實測相對殘余較小,橋跨結構變形恢復總體良好。(2)右幅空心板橋試驗橋跨應力測試截面空心板板底的實測應力處于正常范圍,荷載卸除后,控制測點的最大實測相對殘余較小,橋跨結構變形恢復總體良好。左右幅試驗橋跨結構強度滿足使用要求。

2.3.6.2 結構剛度。在最不利靜力試驗荷載(公路-Ⅰ級工況)作用下：(1)左幅T梁橋試驗橋跨控制截面的實測撓度小于計算值,荷載卸除后,控制測點的最大實測相對殘余較小,橋跨結構整體變形恢復總體較好。(2)右幅空心板橋試驗橋跨控制截面的實測撓度小于計算值,荷載卸除后,控制測點的最大實測相對殘余較小,橋跨結構整體變形恢復總體較好。左右幅試驗橋跨結構剛度滿足使用要求。

由于該橋設計控制內力未考慮梁底加固鋼板影響,使得實際撓度及應力設計控制值偏大,致使實測撓度及應力校驗系數偏小。同時通過撓度檢測及應力檢測結果可知上部結構空心板梁及T 梁橫向分布規律正常。

2.4 試驗橋跨主梁外觀病害觀測結果

該橋左右幅試驗橋跨在試驗荷載(試驗順序：公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%)作用下測試截面附近區域未發現可見橫向裂縫,未發現新增病害,且試驗橋跨上部結構原有病害未發展。

2.5 病害成因分析

針對該橋橋面系受損嚴重,分析其原因主要為：

2.5.1 橋梁運營期間交通量大且夜間長期有重車通行,導致橋面系受損嚴重。

2.5.2 該橋近幾年橋面系雖進行過維修處治,但其處治方式主要為局部修補,由于該橋交通壓力大導致橋面系局部修補后未達到標準養護周期便開放交通,致使橋面系長期受損嚴重。

3 結論

對缺乏竣工和設計資料的舊城市橋梁,橋梁結構的安全運營尤為重要。基于靜力荷載試驗方法,采用分荷載等級的方式對橋梁進行加載：公路-Ⅱ級荷載標準80%→公路-Ⅱ級荷載標準100%→公路-Ⅰ級荷載標準100%,從而全面掌控橋梁在試驗過程中實際受力情況,以及保證橋梁在整個試驗過程中的加載安全。通過此方法對舊城市橋梁檢測評估分析,為業界對舊城市橋梁檢測評估分析提供一定的參考意義。