基于挠度影响线的桥梁快速评估方法研究

文/樊锋

1 前言

目前，桥梁承载能力评估方法主要有承载能力检算和荷载试验两种方法，承载能力检算主要依据设计图纸，结合桥梁缺损、材质状况与状态参数等专项检测结果进行折减，验算承载能力是否满足设计规范要求。荷载试验通过对桥梁结构施加与控制荷载等效的静态外荷载，对比实测与理论结构响应，评价结构受力性能。

两种方法各有其优缺点，承载能力验算投入少，但是验算结果不一定能准确反映桥梁结构真实承载能力；荷载试验是检验承载能力最直观的方法，但是荷载试验费用高、交通影响大。因此，本文提出一种基于挠度影响线的桥梁快速评估方法，可用于桥梁结构的快速评估。

2 基于挠度影响线的桥梁快速评估方法

在传统荷载试验方法评估桥梁结构承载能力过程中，通过对桥梁结构施加与控制荷载等效的静态外荷载，测试结构挠度和应变响应，将其与理论结构响应对比，进而评估桥梁结构受力性能。荷载试验不考虑恒载的作用，只考虑活载的影响，一般是汽车荷载和人群荷载，在弹性阶段，结构响应与荷载的变化呈线性关系，因此可采用实测结构影响线，并在影响线上模拟加载的方法进行结构承载能力快速评估。

2.1 评估方法基础

根据结构力学原理，简支梁挠度可由式（1）进行计算，连续梁桥等静定结构可根据结构力学力法转化为静定结构再由式（1）计算[1]。

式（1）中，f 为挠度；F 为梁上集中力；l 为简支梁跨径；a、b 分别为集中力矩两端的距离；x 为纵向位置；EI 为抗弯刚度[2]。

结合荷载试验校验系数计算方法，可得：

式（2）中，η 为校验系数，fe为试验荷 载 作 用下的实测挠度值；fs为试验荷载作用下的理论挠度值；EI为理论抗弯刚度；E'I'为实际抗弯刚度[3]。由式（2）可知，桥梁结构挠度与其所受荷载呈线性关系，校验系数基本稳定。根据荷载试验经验，桥梁荷载试验模拟的是设计移动荷载作用下的桥梁结构响应，不同类型的典型荷载试验案例挠度值随荷载效率变化见图1 所示，根据荷载试验实测挠度变化可以看出，挠度变化随荷载效率增加呈线性关系，因此采用在实测影响线模拟加载进行桥梁承载能力评估的方法是可行的。

图1 典型荷载试验案例挠度随荷载效率变化图

2.2 评估流程

基于实测挠度影响线的桥梁快速评估方法基本流程见图2 所示，总体上分4 个步骤进行：

图2 快速评估流程

2.2.1 制定试验方案

按照传统荷载试验方案的要求，进行桥梁结构有限元理论分析计算，按照相关规范要求，根据计算结果选定控制截面，并制定荷载试验方案，本阶段的工作与传统荷载试验相同。

2.2.2 实测影响线

根据荷载试验方案，在控制截面位置布设动挠度测点，采用荷载试验方案中的标准试验加载车匀速驶过桥面，分别测试不同工况动挠度；根据动挠度测试结果进行拟合得到挠度拟合曲线，进而分析提取不同工况下的实测挠度影响线。桥梁动挠度与拟合影响线见图3。

图3 桥梁动挠度与拟合影响线

2.2.3 加载模拟

根据荷载试验方案中拟定的加载方案，在实测挠度影响线上进行模拟加载（见图4），由式（3）分析计算得到试验方案荷载作用下的控制截面挠度值[4]。

图4 基于影响线的模拟加载示意图

式（3）中，f 为模拟加载的挠度值；Pi为纵桥向加载车轴载位置集中力；δi为纵桥向加载车轴载位置影响线值。

2.2.4 快速评估

根据模拟加载计算得到的控制截面挠度值以及与理论值比较得到校验系数，通过校验系数快速评估桥梁结构的承载能力。

2.3 新方法优点

与传统荷载试验相比，基于挠度影响线的桥梁快速评估方法有以下优点：

表1 基于挠度影响线的桥梁快速评估方法的优点

3 工程应用

3.1 桥梁概况

虎门二桥是广东省高速公路网规划中连接广州和东莞的重要东西向通道，其中大沙水道桥为主跨1200m 双塔单跨悬索桥，跨径布置为（360+1200+480）m。主塔为混凝土塔，主梁为整体式钢箱梁，主缆横桥向中心间距为42.1m，吊索顺桥向标准间距为12.8m。大沙水道桥桥梁布置见图5 所示。

图5 大沙水道桥桥梁布置图

3.2 实测挠度影响线

在主梁八分点位置桥面左右幅分别布置动挠度测点（图6），采用两辆载重汽车并排匀速驶过桥跨结构（图7），测试不同位置的动挠度响应，1/4、3/8、1/2截面的实测动挠度曲线见图8 所示。

图6 动挠度测点布置图

图7 动挠度测点布置图

图8 实测动挠度

3.3 基于挠度影响线的桥梁快速评估

根据实测动挠度提取拟合影响线，并依据荷载试验方案的加载位置和加载车数量，在影响线上进行模拟加载，以四分之一工况为例，影响线模拟加载见图9所示。通过模拟加载计算试验方案荷载作用下的结构挠度值，各工况取左右幅挠度的平均值进行评定；通过与理论挠度值进行对比，得出挠度校验系数。

图9 四分之一工况模拟加载

3.4 评估结果对比

本文快速评估方法与传统荷载试验方法结果对比见表2 及图10 所示。通过对比结果可以看出，两者偏差在5%以内，说明本文方法准确性较高，可用于桥梁结构承载能力的快速评估。

表2 校验系数对比

图10 校验系数对比

4 结语

工程应用表明，本文基于挠度影响线的桥梁快速评估方法与传统荷载试验方法偏差在5%以内，准确率较高，说明本文方法用于桥梁快速评估是可行的。本文方法所需加载车少、用时短，可应用于桥梁健康系统中进行结构承载能力快速评定；另外，可针对基于挠度影响线的快速评估进行进一步研究，制定快速评估标准，必要时可进行常规荷载试验验证。