基于静动载试验的大型桥梁健康评估

宋金强, 朱宏平, 黄民水,2

(1. 华中科技大学a)土木工程与力学学院，b)控制结构湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074；2. 武汉工程大学交通研究中心, 湖北 武汉430074)

0 引 言

随着我国交通事业的快速发展，桥梁作为交通枢纽，在国民经济中发挥着越来越重要的作用，特别是近20年来，我国兴建了很多类型各异的桥梁，这些桥梁在建设和运营期间经常需要进行结构检测，以保证其工程质量和运营安全.尤其是在役桥梁，在各种因素作用下在不同程度上出现质量问题，比如承载力、刚度以及耐久性降低等，进而缩短了桥梁使用寿命，甚至发生垮塌事故.因此对在役桥梁进行健康评估具有十分重要的意义[1-2].

对桥梁结构进行健康评估，其目的就是通过对桥梁结构进行检测，对桥梁结构在特殊气候、交通条件下的营运安全状况进行评估，为桥梁管养决策提供指导[3-4].在健康监测中，静载试验常用来评估桥梁结构的承载能力，其检测过程和结果都比较直观.而近年来，动载试验由于工作量较小、费用低、试验时间短、操作方便且可不中断交通，得到了迅速的发展和广泛的应用.在一定的时期内，T构带挂梁的结构体系得到了一定的应用，但是经过一段时间的运营，普遍出现了一些质量问题，比如T构上部箱梁下挠和开裂等[5-6].

本实验采用现场静载试验和动载试验相结合的检测方法，并结合有限元理论分析，对某公跨铁立交桥的健康状况进行了评估，为今后的维修、加固补强提供了详实的技术资料.

1 工程背景

该桥全长226.57 m，横跨京广铁路，与铁路交角为59 °.主桥的结构型式为：20 m挂梁+40 m预应力混凝土T构+20 m挂梁+40 m预应力混凝土T构+20 m挂梁.T构悬臂梁根部高4 m，端部高1.8 m，T构横截面为双箱形，挂梁采用斜跨径20 m装配式混凝土T形简支梁，每孔8片并列，梁高1.5 m，主梁中心间距2.0 m.该桥原设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120，桥面宽度为17 m，其中行车道宽15 m，两侧人行道各宽1 m，桥下净空为8.5 m.

2 试验方案

根据相关规范、规程、技术标准及双方签订的技术合同要求，本次检测内容和项目如表1.

表1 检测内容及项目

2.1 测试截面

测试控制截面为：1) 1-1截面，挂梁跨中(最大正弯矩)；2) 2-2截面，挂梁支点(最大剪力)；3) 3-3截面，T构悬臂梁根部(最大负弯矩和最大剪力)；4) 4-4截面，T构悬臂梁跨中；5) 5-5截面，桥墩(最大竖向反力)；6) 6-6截面，T构悬臂梁端部(最大位移).测试截面位置分布如图1.

图1 测试截面分布图

2.2 静载试验测点布置

a. 混凝土应变测点布置.1-1截面处在挂梁各片T梁的腹板上布设应变测点，具体位置如图2(a)所示.T构悬臂梁根部3-3截面测点布置如图2(b)所示，T构悬臂梁跨中4-4截面测点布置如图2(c)所示.

b. 钢筋应变测点布置.钢筋应变测点均布置在1#、2#桥墩之间的4#梁上(从南往北)，两测点布置在同一根钢筋上.

c. 挠度测点布置.除布置机电位移计外，还使用数字水准仪同步观测挂梁的竖向挠度，测点布置如图2(d)、图2(e).

(a)1-1截面应变测点布置(挂梁)

(b) 3-3截面应变测点布置(悬臂梁根部)

(c)4-4截面应变测点布置(悬臂梁中部)

(d)1-1截面挠度测点布置(挂梁)

(e)6-6截面挠度测点布置(悬臂梁端部)

2.3 加载车辆

在静载试验中，设计汽车荷载等级为原汽车-超20级，其中的重车(550 kN)很少见，为试验方便，将其由两辆300 kN汽车分别加载到300 kN、250 kN来代替(如图3)，使其对测试截面产生与汽车-超20级重车相当的荷载效应.试验车队采用8辆东风自卸车，其中4辆装载后总重300 kN，另4辆装载后总重250 kN，分偏载和中载两种情况进行加载.偏载采用六辆车加载，分三级加载，即累计荷载分别为50 %、80 %和100 %，中载采用8辆车加载，一次加载到100%荷载.

图3 试验车辆荷载

动载试验采用一辆300 kN的载重汽车作为试验荷载.

3 静载试验结果分析

在桥梁检测试验中，常用校验系数(η)来评判桥梁承载能力和工作状态，桥梁检定试验所得数据(应力、挠度)与理论计算值(应力、挠度)之比称之为校验系数，η大于1则说明结构设计强度不足而不安全.在大多数情况下，η小于1，其值过大或过小都应该仔细分析原因.值过小的原因可能是材料弹性模量高出设计值较多，桥梁结构整体工作性能好，计算理论或简化计算偏于安全.根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》[7]附录表1，对于预应力钢筋混凝土梁，应力校验系数η=0.9～1.0，挠度校验系数η=0.7～0.8，而对于钢筋混凝土梁，应力校验系数η=0.4～0.8，挠度校验系数η=0.5～0.9.

a. 挠度校验系数.挂梁跨中及T构悬臂梁端部的挠度η均大于1.0，挂梁和T构悬臂梁的刚度严重不足，弹性工作性能已经受到影响，竖向刚度不满足设计要求.

b. 应变校验系数.挂梁跨中、T构悬臂梁根部及跨中的应变η均大于1.0，挂梁和T构悬臂承载力不足.T构桥墩的应变η均接近1.0，说明T构桥墩满足强度要求，并有安全储备.

c. 荷载横向分布特性.截面1-1、3-3、4-4各应变测点η分布非常不均匀，截面1-1、6-6各挠度测点η分布也不均匀，说明荷载横向分布特性发生了明显变化，结构整体性已受到破坏.

4 动载试验分析

在1-1截面、6-6截面处选取1#、3#、9#、10#挠度测点，以及14#钢筋应变测点共5个测点，作为动态测点.CCD数字图像动态位移监测系统检测点选在T构悬臂梁端及挂梁跨中.

a. 跑车试验：试验汽车以10、20、30、40、60 km/h的速度匀速过桥产生激振.

b. 跳车试验：试验汽车以10、20 km/h的速度分别越过6-6截面(T构悬臂梁端部)、1-1截面(挂梁跨中)桥面上设置的高4.5 cm的减速板激振.

通过测试，跑车工况下的冲击系数测定值为1.30～1.63，接近或大于常值，说明该桥正常工作状态下的动力性能较差.在跳车工况下冲击系数为1.60～1.90，明显增大，较多地大于常值，须保持桥面铺装平顺，以利于桥梁结构安全运营.

5 有限元仿真分析

5.1 有限元建模

建立了2#墩T构以及2#墩与1#墩之间挂梁的有限元模型，其中混凝土采用六面体单元Solid65；预应力钢筋采用Link8单元，用降温法考虑预应力的作用.搭在1#墩上的挂梁做简支处理，搭在T构上的挂梁与T构之间设置Combin14弹簧单元模拟橡胶支座.T构另外一端承担两T构之间挂梁一半的自重荷载作用，此时将此作用转换为面力施加在T构另一端，墩底固接[8-9].T构自重1 186.21 kN，挂梁自重294.4 kN，总计自重1 480.6 kN.有限元模型如图4(a).

T构悬臂梁混凝土为C40，弹性模量为3.25×1010N/m2， T构墩身及挂梁混凝土为C30，弹性模量为3.0×1010N/m2，混凝土质量密度为2 600 kg/m3，泊松比0.167.预应力钢索弹性模量为1.95×1011N/m2，质量密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3.预应力钢筋降温值=控制应力/(E×α)=237 ℃.

对于桥面铺装，本模型没有加以考虑，只是在施加荷载的时候，作为桥面单元面力施加.网格划分单元棱长在10～50 cm左右，可保证计算精度，共划分为19 680个混凝土单元，2 440个预应力钢筋单元.模型网格划分如图4(b).

(a)模型示意图

(b)有限元模型单元划分图

Fig.4 Schematic diagram of model and meshed element

5.2 试验与有限元结果对比分析

a. T构悬臂梁端位移对比分析.2#墩T构悬臂端，偏载试验最大变形的校验系数为1.34，中载试验为1.22，表明偏载和中载作用下，T构受力状况均较差.

b. 挂梁中位移对比分析.1#～2#墩间挂梁，偏载试验中T构悬臂梁端最大变形的η为1.41.有限元理论分析显示在中载试验中，挂梁跨中位移检测值比计算值要大许多，挂梁已经进入非线性工作状况，承载力储备不足.4#梁的位移测试值和理论分析值如图5.

c. 各挂梁位移横向分布对比分析.位移的横向分布检测结果显示边梁以及4#梁位移偏大，说明整个挂梁的连接较差， 4#梁损伤大于其它梁.

(a)4#梁西

(b)4#梁中

Fig.5 Experimental and theoretical displacement (beam 4#)

6 结 语

经过该桥的静动载试验，得出如下结论：

a. 校验系数均接近或大于规范中的常值，这说明该桥刚度、承载力不足，弹性工作性能已经受到影响，竖向刚度不满足设计要求.

b. 挂梁部分荷载横向分布特性发生了明显变化，结构整体性已受到破坏.

c. 冲击系数测定值接近或大于常值，动力性能不是很好，在跳车工况下动力系数明显增大，均大于规范计算值较多，因此必须保持桥面铺装平顺，以利于桥梁结构安全运营.

总的来说，该桥存在较大的安全隐患，需要进行大修，以满足安全营运的需要.

参考文献：

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