浅析桥梁改造前的荷载试验及承载能力评估

王树昆 北京市工程管道及桥梁构件质量监督检验站

1 引言

随着我国经济的快速发展和人口的持续增长，城市交通量也在不断的增加，有些城市的桥梁路面宽度已经不能满足现况的交通需求，因此为了适应日益增长的交通压力，对城市桥梁路面的拓宽改造成为了一种行之有效的方法。改造的最基本要求是既能适应现阶段的交通压力，又能满足桥梁设计承载力要求。因此，评估桥面拓宽后的承载能力是否满足桥梁原设计荷载的要求，就成为了改造设计前必不可少的一个环节。

2 工程概况

某宽腹T梁桥上跨道路，与道路交角为69°01′46″，设计为斜桥。桥梁斜全长78.18m、宽26.64m，其中行车道宽16.0m，两侧人行道宽各5.0m，栏杆地袱宽0.32m。桥下为4孔，两中孔为主路，净宽16.6m，两边孔为辅路，净宽14.7m，主辅路车道间设0.7m宽隔离带。该桥上部结构为预应力钢筋混凝土等截面连续梁，桥梁纵向为4孔，计算跨径（15.4+2×18.2+15.4）m/sin69°01′46″，横向由5片宽腹T梁组成，支点处设有横梁，T梁高0.75m。下部结构：中墩采用钢筋混凝土条形基础，正八棱体墩柱，边墩采用重力式桥台，支座采用板式橡胶支座。桥下净空：快车道净空≥4.5m，慢车道净空≥3.5m。设计荷载：汽-20，挂-100；人群350kg/m2。

现计划对该桥桥面布置进行改造，减小步道宽度的同时增加机动车道宽度，改造前需对该桥进行荷载试验，检验其承载力能否满足改造要求。现况桥梁立面图、平面图、中墩断面和桥台断面图及改造后的桥面布置图如图1~图5所示。

图1 桥梁立面图

图3 中墩断面图

图4 桥台断面图

图5 改造后的桥面布置图

3 宽腹T梁桥梁结构分析方法

3.1 经典力学方法

传统宽腹T梁桥的内力计算方法为经典力学法，基本思路为：划分单元，引入横向分配系数，计算出单元之间的横向分配系数，将荷载分配到每个纵向单元上，进行内力、强度及稳定性计算。这种计算方法较为繁琐，由于引入大量假设，使得计算结果与实际结构存在一定差别。

3.2 有限元法

应用midas civil软件采用梁格法建立桥梁有限元模型。这里主要考察桥梁的承载能力，考虑两侧人群荷载的变化，忽略桥面铺装的连续。全桥采用JTG04（RC）梁单元，全桥共1285个单元。桥梁上部结构空间有限元计算模型如图6所示。

图6 桥梁有限元模型

4 荷载试验

4.1 试验工况

本桥原设计荷载等级为汽-20，挂-100。由于本桥整体结构对称，桥梁实际健康状况比较接近，并综合考虑试验期间的导行便利性，因此本试验选取在该桥东侧两跨进行。

根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》要求，本桥应主要选取两跨最大正弯矩截面和支点最大负弯矩截面作为测试项目。此次静载试验可分为四个工况，分别为工况一～四，为保证试验加载的安全，可通过车辆的重量和数量的改变进行分级加载。

在此，本文仅对工况一、工况二、工况四的位移和应力情况，以及工况三的位移情况进行综合分析。

4.2 车辆布置

根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，计算等代汽车荷载、试验车辆规格如图7所示，实际加载车辆如表2所示。

表2 实际加载车辆表格

本文涉及工况车辆布置图如下所示：

a）工况一 第3跨最大正弯矩截面车辆偏载如图8所示：

b）工况二 第4跨最大正弯矩截面车辆偏载如图9所示：

图9 工况二加载平面图

c）工况三 支点最大负弯矩截面车辆偏载如图10所示：

图10 工况三加载平面图

4.3 测点布置

a）位移测点：位移测点位于第3跨及第4跨跨中位置，每片主梁梁底布置2个位移测点，每跨主梁梁底各布置10个位移测点，共20个位移测点，如图11、图12。

图11 2轴～4轴位移测点布置立面图

图12 跨中位移测点布置图

b）应力测点：应力测点位于第3跨及第4跨跨中位置，每片主梁梁底布置1个应变测点，每跨主梁梁底各布置5个应变测点，共10个应变测点，如图13。

图13 跨中应变测点布置立面图

4.4 结果分析

a）工况一

工况一采用3辆28吨加载车进行加载，加载现场照片见图14，位移云图见图15，位移计算见表3，位移计算与是实测结果见图16，跨中应变计算见表4，计算与实测结果见图17。

图14 工况一试验加载实景

图15 工况一第3跨跨中位移云图

表3 工况一第3跨主梁跨中位移表(单位：mm)

图16 工况一第3跨位移计算与实测结果对比图

表4 工况一第3跨主梁跨中应变表(单位：με)

图17 工况一第3跨应变计算与实测结果对比图

b）工况二

工况二采用3辆28吨加载车进行加载，加载现场照片见图18，位移云图和对比见图19、图20，应变云图和对比见图21，位移和应变计算见表5、表6。

图2 桥梁平面图

表6 工况二第4跨主梁跨中应变表(单位：με)

图21 工况二第4跨应变计算与实测结果对比图

表5 工况二第4跨主梁跨中位移表(单位：mm)

图18 工况二试验加载实景

图19 工况二第4跨跨中位移云图

图20 工况二第4跨位移计算与实测结果对比图

c）工况三

工况三采用6辆28吨加载车进行加载，加载现场照片见图22，有限元计算模型的位移云图如图23，第三跨位移的计算值见表7，计算结果与实测值的对比见图24，第四跨位移的计算值见表8，计算结果与实测值的对比见图25。

图22 工况三试验加载实景

图23 工况三第3跨跨中位移云图

表7 工况三第3跨主梁跨中位移表(单位：mm)

图24 工况三第3跨计算与实测结果对比图

表8 工况三第4跨主梁跨中位移表(单位：mm)

图25 工况三第4跨计算与实测结果对比图

d）工况四

工况四采用3辆28吨加载车进行加载，加载现场照片见图26，第三跨中位移云图见图27，位移计算结果见表9，位移计算与实测结果对比见图28，第三跨中应变情况见表10，应变计算与实测结果对比图29。

表1 荷载试验工况汇总表

图26 工况四试验加载实景

图27 工况四第3跨跨中位移云图

图29 工况四第3跨应变计算与实测结果对比图

表9 工况四第3跨主梁跨中位移表(单位：mm)

图28 工况四第3跨位移计算与实测结果对比图

从计算结果与实测值的对比可以看出，本桥在荷载作用下实测位移变化规律与计算结果趋势基本一致，各加载工况主梁挠度实测值均小于理论计算值，校验系数小于1.0，残余变形均小于规范要求的20%，表明桥梁整体承载能力满足原设计（汽-20，挂-100）荷载标准要求。

4.5 承载能力鉴定

根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载力能力检测评定规程》要求，承载能力分析包括以下几个内容：

a）结构校验系数ζ

其中：

Se——试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值；

Ss——试验荷载作用下主要测点的理论计算变位或应变值。

本次实测最大荷载工况挠度校验系数如表11所示：

表11 校验系数计算表

在原设计（汽-20，挂-100）级等效荷载作用下，桥梁的位移校验系数均小于1.0，表明桥梁满足原设计（汽-20，挂-100）荷载承载能力要求。

b）实测值与计算值的分布曲线分析

从挠度和应力（应变）实测结果（计算值与实测值对比图）上看，实测值曲线和计算值曲线规律性基本一致，实测值小于计算值表明桥梁承载能力正常。

c）相对残余变位

根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，相对残余变位（或应变）按公式（2）计算。

式中：

S′p——相对残余变位（或应变）；

Sp——主要测点的实测残余变位（或应变）；

St——实验荷载作用下主要测点的实测总变位（或总应变）；

该桥在各工况下的相对残余变位见表12。

表12 位移（应变）相对残余位表

该桥主要测点的相对残余变位最大值均小于规范要求的20%，说明结构处于弹性工作状态。

d）桥梁结构外观状况

本桥在试验过程中桥梁结构外观状况正常，主梁未出现新增开裂及破损，未发现其他影响桥梁承载能力的现象。

综上，荷载试验位移校验系数、相对残余变形，本桥承载能力满足原设计（汽-20，挂-100）级荷载标准要求，且桥梁整体受力状态基本正常。

5 结论

a）本桥荷载试验各加载工况，主梁挠度及应变实测值均小于理论计算值，校验系数小于1.0，残余变形均小于规范要求的20%，表明桥梁整体承载能力满足原设计（汽-20，挂-100）荷载标准要求。在荷载试验过程中，主梁未出现新增开裂及破损，未发现其他影响桥梁承载能力的现象。

b）正确的计算模型是评定桥梁承载能力的关键，有限元法作为桥梁结构弹性空间分析方法，较传统计算方法更能方便、准确地反映桥梁承载能力。

c）结合T梁受力构件的结构形式，通过Midas Civil软件的有限元模拟与静力荷载试验的数据的对比分析，应用梁格法建模的方法，能较好的模拟斜交T型梁桥。

d）以有限元理论分析和静力荷载试验相结合的方法能较为全面的评定桥梁的承载能力，可为同类桥梁计算分析及待改造桥梁的承载能力评定提供参考。