位山拦河闸公路桥静动载试验

刘瑞银，刘 璐

（山东黄河河务局东平湖管理局，山东 泰安 271000）

山东位山拦河闸公路桥上部结构为16 跨混凝土简支∏型梁桥，单跨11 m，主桥全长176 m，桥面宽8.5 m，下部桥墩为两头带圆弧端的矩形墩，并采用矩形实体式桥台。该桥于上世纪50年代投入使用，一直作为沟通两岸的交通主要结构物。该桥紧邻黄河浮桥，是由南向北通过黄河的必经之路，承载着主干道作用，过往超高超重车辆较多。由于该桥设计资料已丢失，加上年久失修，在试验之前已经被评定为危桥，为进一步判断是否能承受预计的荷载，对该桥进行全面检测尤为必要。检测主要包括：静载试验检测和动载试验检测。其中静载荷载试验主要检验主梁结构最大正弯矩截面正截面强度和最大挠度控制截面竖向刚度；动载荷载试验主要对结构振型和结构固有频率的测定，并计算结构振动的最大振幅值与阻尼比，以及汽车不同运行速度时的冲击系数。

1 桥梁承载能力初步评定

首先对桥梁病害位置和程度进行调查，包括必要的外观检测：表观缺陷检查、混凝土强度检测、碳化深度检测、钢筋锈蚀检测、钢筋保护层厚度检测。

由于该桥设计资料不详，无法确定设计荷载标准。根据该桥修建年代并综合考虑，假定设计荷载为汽车-15 级。考虑到当前桥梁实际承受的交通荷载较大，最后按照 《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1985）对汽车-15 级荷载进行验算，并按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）进行建模，对公路-I 级荷载进行验算。

采用同济大学的Dr.Bridge 建立的平面杆系模型的分析结果作为该桥承载能力初步判定的依据。该模型采用常规的位移法，进而采用增量理论考虑施工加载，逐步推进获得最终结构效应和各控制断面在恒载、活载作用下的设计内力，这为掌握该桥的结构特点和受力性能及后继荷载试验提供依据。该桥平面杆系单元的划分考虑到简支梁，分为14个单元，15个节点。根据简支梁桥的结构特点，计算复核的主要内容包括跨中截面的抗弯强度和支点截面的抗剪强度复核。各截面的抗弯强度与其承受的最不利极限组合内力相比较可知，当结构在汽车-15 级使用阶段荷载组合作用下，各截面完全满足抗弯承载能力极限状态的要求，并且具有一定的安全储备。但当结构在公路-I 级使用阶段荷载组合作用下，各截面不完全满足抗弯承载能力极限状态的要求。

混凝土、箍筋和弯起钢筋共同承担的剪力为329.958 kN。当结构在汽车-15 级使用阶段荷载组合作用下，产生的最大剪力组合设计值为265.1 kN，斜截面的抗剪承载力满足要求。当结构在公路-I 级使用阶段荷载组合作用下，产生的最大剪力组合设计值为346.2 kN，斜截面抗剪承载力不满足要求。因此，该桥满足85 规范规定的汽车-15 级设计荷载要求，但不满足现行规范2004 标准规定的公路-I 级荷载要求。

2 静载试验分析

桥梁静载试验是对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用性能作出评价。基于前述桥梁承载力评定验算结果，该桥不满足公路-I 级荷载要求，因此本次荷载试验采用2 辆重约13 t 的三轴载重汽车加载模拟汽车-15 级荷载，车辆参数见表1。满载时两车的试验效率系数为1.01，符合规范0.85～1.05 的要求。试验采用对称布置，以等效边梁跨中最大正弯矩为原则进行等效车辆加载，试验时主要量测各主梁的应变和挠度。经桥梁外观检测发现，第6 孔损坏较严重，作为试验孔具有代表性。

表1 加载车辆参数

桥梁在试验静荷载作用下，试验桥跨的跨中截面分级加载挠度值见表2。校验系数为试验荷载作用下实测值与理论计算值的比值，是结构评定的重要指标。可见在试验荷载作用下该桥挠度的校验系数均在1 以上，超出常规混凝土梁桥的校验系数0.70～1.0 的范围，说明结构刚度不能满足要求。

表2 跨中截面挠度残值分析表 mm

主梁应变测点全部布置于跨中断面，比如在试验荷载作用下，西侧跨中截面混凝土应变的分级加载值见表3。可以看出，西侧腹板的应变值多为压应变，与正常情况极其不相符，可能是由于腹板在荷载作用下产生了不规则的变形（如整个上部结构向西侧倾斜扭曲），这种变形会严重影响桥梁的使用性能。

表3 西侧测点分级加载应变值及相对残余应变值表

3 动载试验分析

动载试验是测定桥梁固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而判断桥梁结构的整体刚度、行车性能。这里完成了以下两方面内容：1）脉动试验：在桥面的特定位置设置加速度传感器，获得主梁的振动频率，进一步确定结构的刚度和质量分布情况。2）无障碍行车试验：采用1辆重130 kN 的翻斗车匀速驶过主桥，行驶速度分别为10 km/h、20 km/h、30 km/h，每种车速情况下进行1 次往返跑车试验。在桥面上进行拾振，记录结构在不同车速下的振动响应。采用测定结构动应变或动挠度的方法可得到车辆对结构的冲击系数，建立冲击系数与车速的关系曲线，可以获得最不利车速。

通过利用放置在试验孔桥面上的速度传感器测得桥梁天然脉动信号时域曲线，对采集到的时程曲线波形进行分析得到，山东位山拦河闸公路桥1 阶固有频率为8.35 Hz。理论计算所得的主梁自振频率7.72 Hz（未考虑桥面铺装作用，仅计算主梁的自振频率），实测自振频率与理论自振频率比值为1.08，接近《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中规定实测自振频率与理论自振频率比值大于1.1 为良好状态，表明实际结构的整体性良好。结构的实测阻尼比4.87%，而桥梁常见阻尼比范围在0.22%～5.73%，实测阻尼比介于桥梁常见阻尼比范围内。

为测定桥梁结构的冲击系数，车辆以不同的速度驶过桥梁，逐次记录跨中截面的挠度时程曲线。一辆13 t 重的实验车辆分别以10 km/h、20 km/h、30 km/h时速通过桥面时，实测冲击系数分别为1.32，1.38 和1.44。冲击系数随车速的增大而增大。该桥冲击系数较大，表明该桥具有较大振动，桥面不平整是主要因素。

4 结 论

根据综合分析结果，主梁跨中断面的抗弯承载力、斜截面抗剪能力和竖向刚度均能够满足汽车-15级荷载的设计要求，不能满足公路-I 级荷载的设计和使用要求。该桥桥面破损，主梁受损严重，墩台工作状态不佳，加上该桥年久失修，漏水严重，桥梁耐久性不足，存在严重的安全隐患。为保证交通安全，鉴于该桥设计荷载等级低，已不能满足日益增长的交通量及重交通的使用要求，存在安全隐患，建议重建。

如不能及时重建，在临时通车期间，为保证安全，应采取相应的安全措施：1）应限重通行，限重的车辆吨位为8 t；2）应对过往的车辆限速，车速不超过20 km/h；3）拆除原有的桥面铺装，加铺15×15 cm 的直径12 mm 的桥面铺装钢筋网，重新浇注混凝土桥面。4）油毛毡支座失效，建议更换为橡胶支座。