提载旧桥承载能力的评估

中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034

1 引言

随着我国的经济发展，道路荷载等级不断提高，大件特种运输车辆也日益增多，大量旧桥由于建成时间早，荷载标准低，需要在提载条件下对其承载能力重新进行评估。对既有桥梁进行承载能力评定的方法大致可分为经验法、荷载试验法、设计理论法、专家系统评定法、承载能力的计算机有限元模拟、基于动力的评估以及以可靠度理论为基础的评估方法等［1］。其中以承载能力的计算机有限元模拟和荷载试验法应用最为广泛。本文以某码头栈桥为例，介绍提载旧桥的承载能力评估方法。

2 工程概况

某码头工程包括两个栈桥，每个栈桥有4 联，总长180m，跨径布置为4×7×6m。栈桥立面布置见图1，平面布置见图2。上部结构为钢筋混凝土纵梁+桥面板，梁高1.35m，混凝土强等级为C35；下部结构为预应力混凝土方桩，截面为0.6m×0.6m，混凝土强度等级为C50。

栈桥于2006 年设计建造，原设计荷载为总重2575t 的箱梁轮胎搬运机，在废弃12 年后准备重新使用，现运营荷载为总重3694t 的箱梁轮胎搬运机，相比设计荷载增加了43%。

图1 栈桥平面布置

3 承载能力评估

3.1 缺损及材质状况检查

栈桥缺损状况及材质状况检查结果按照《公路桥梁承载能力评定规范》（JTG/T J21-2011）的要求计算出评定标度，以此为基础得出承载能力计算模型的修正系数，检查结果见表1。

表1 缺损及材质状况检查

3.2 承载能力检算

3.2.1 检算原理

在承载能力检算中引入检算系数Z1，承载能力恶化系数ξe、钢筋截面折减系数ξs和配筋混凝士结构的截面折减系数ξc对结构抗力效应进行修正，上述系数取值基于缺损状况及材质状况检查结果，见表2。因设计荷活载与运营活载的轮轴分布基本相同，故不考虑活载影响修正系数。

钢筋混凝土结构承载能力极限状态检算公式如下：

式中：γ0为结构的重要性系数，S 为荷载效应函数，R 为抗力效应函数，fd为材料强度设计值，adc为构件混凝士几何参数值，ads为构件钢筋几何参数值。

表2 相关检算系数取值

3.2.2 计算荷载及工况

计算荷载包括恒载、活载、风荷载、系缆力、制动力、船撞力等，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG 60-2015）要求进行组合，见表3。

表3 承载能力检算荷载组合

由于栈桥上行走的轮胎搬运机运送箱梁时会出现不同程度的偏载，根据实际情况设计三种检算工况：①搬运机不偏载；②搬运机运送箱梁偏载8.5m；③搬运机运送箱梁偏载13.1m。

3.2.3 检算结果

栈桥抗弯承载能力检算结果见表4，抗剪承载能力检算结果见表5。在现运营荷载作用下，栈桥承载能力有如下规律：

（1）跨中截面结构抗弯能力与荷载效应比值在1.67～2.12，富余量较大。

（2）工况3 作用下支座附近截面结构抗剪能力比荷载效应小8%左右，抗剪能力需进一步验证。

（3）工况1 和工况2 作用下支座附近截面结构抗剪能力与荷载效应比值在1.02～1.13 之间，富余量较小。

（4）搬运机运送箱梁偏载距离越大，单个栈桥的荷载效应越大，结构受力越不利。

表4 结构抗弯承载能力检算结果（跨中截面）

表5 结构抗剪承载能力检算结果（支座附近截面）

图2 各工况结构抗剪能力示意图

3.2.4 荷载试验

工况3 作用下支座附近截面结构抗剪能力比荷载效应小8%左右，未超过20%，为进一步验证其承载能力，采用荷载试验方法，引入检算系数Z2，对承载能力计算模型进行修正。

（1）荷载试验效率和工况

荷载试验主要针对偏载情况下的跨中截面弯矩和支座附近截面剪力进行加载，以验证结构承载能力状况。荷载试验工况和加载效率见表6。

表6 荷载试验工况和加载效率

（2）荷载试验结果分析

荷载试验主要结果见表7，主要结论如下：

表7 荷载试验结果

①跨中正弯矩加载时应力校验系数在0.68～0.69 之间，挠度校验系数为0.50；支座附近截面剪力加载时应力校验系数在0.68～0.73 之间；

②最大残余应变和变形率为14%，小于20%；

③加载到满载83%时，腹板出现1条裂缝，宽度为0.20mm，继续加载至满载时裂缝未见继续扩展，卸载后裂缝宽度实测值为0.06mm。加载时裂缝宽度未超过规范限值，且卸载后闭合宽度小于扩展宽度2/3。

综上所述，荷载试验结果满足规范要求。

3.2.5 承载能力评定

由荷载试验结果可以得到检算系数Z2，代入承载能力极限状态检算公式可得：

式中检算系数Z2应由荷载试验应变或变形实测校验系数最大值内插计算得出。

表8 引入Z2 后结构抗弯承载能力检算结果（跨中截面）

表9 引入Z2 后结构抗剪承载能力检算结果（支座附近截面）

本桥荷载试验试验校验系数最大值为0.73，按照《公路桥梁承载能力评定规程》规定，计算得到检算系数Z2 为1.09。计算模型修正后的承载能力检算结果见表8 和表9，可以看出，引入检算系数Z2，栈桥抗弯和抗剪承载能力满足要求。

综合承载能力检算和荷载试验结果，可以认为，在提载43%的情况下，栈桥承载能力满足要求。

4 结束语

本桥经过承载能力检算评估后正常投入使用，后期监测结果表明，结构受力性能满足规范要求。通过本项工作，施工方将一座废弃12年的栈桥合理利用，节约了施工工期和经济成本。

（1）既有旧桥在外观缺损较小，材质情况良好的情况下有提高荷载运营的潜力。

（2）钢筋混凝土矩形截面梁在提载43%条件下，跨中抗弯承载能力有1.82 倍富余，支座附近抗剪能力能基本满足要求。

（3）旧桥承载能力检测评估对于节约建设投资有着显著意义。