无资料旧桥重型交通车辆安全评估检测研究

2022-02-21刘辉

铁道建筑技术 2022年1期

关键词：挠度弯矩测点

刘辉

(中国铁建股份有限公司北京 100855)

1 前言

1.1 工程背景

某待安全评估桥梁是一座无法找到设计及竣工资料的4跨简支桥，现场实测各跨桥长均为16 m，桥面宽度8 m，主梁为现浇T梁，桥头铭牌显示该桥修建于1993年。该桥的立面图和横断面图如图1所示。

图1 桥梁示意(单位:cm)

1.2 试验目的

由于工程建设的需要，该桥计划需要通行包括泥头车、平板车等在内的重型交通车辆。但是该桥在其使用期间并没有进行相关检测，目前的安全状况尚不明确。因此，需要准确地对该桥在拟定的通行荷载标准下的结构安全性进行评估。

1.3 重型车辆通行需求

该桥拟通行工况为:(1)100 t平板车靠边正常速度独立通行。(2)100 t平板车沿中线正常速度独立通行。(3)40 t泥头车靠边正常速度通行、15 t空载泥头车正常速度回程相遇。

1.4 安全评估内容及流程[1-2]

对该桥在拟定的通行荷载标准下的结构安全评估按以下流程:(1)理论分析。通过理论分析初步判断通行可行性。(2)常规检查及混凝土强度检测。通过对主体结构进行外观检查，初步判断各部件功能是否完善有效；通过混凝土强度检测了解其混凝土性能。(3)静动载试验。在使用荷载作用下的工作状态是否处于弹性工作范围，然后对其结构性能及实际承载能力做出评估，以评定该桥能否满足正常使用。

2 理论分析

2.1 分析思路

(1)经过现场调查该桥的建造信息，地理位置及路线情况，该桥原设计荷载标准为《89桥规》中的“汽-20、挂-100”荷载等级。计算旧桥各T梁在原设计荷载标准(汽-20、挂-100)对应工况下的最不利荷载值(跨中弯矩)[3]。

(2)计算各T梁对应实际工况拟定的重型车通行下的最不利荷载值(跨中弯矩)，对比分析其与原设计荷载标准下最不利荷载值(跨中弯矩)的关系，以理论计算对比的方式确定该桥是否安全[4]。

(3)在确保桥梁试验安全的前提下，通过采用等效弯矩的方法，拟定加载车辆试验荷载的大小及位置，合理制定试验方案，得出各T梁在试验荷载下的荷载效应[5]。

2.2 加载说明[6]

利用有限元计算软件建立基于梁单元的有限元桥梁模型以后，在桥梁模型上添加车道荷载。其中，荷载采用《89 桥规》汽-20、《89 桥规》挂-100，另外100 t平板车、物料车的荷载情况分别如图2～图3所示，人群荷载为3.5 kN/m2。汽车荷载的冲击系数根据《89桥规》计算得到。

图2 平板车加载示意(单位:m、kN)

图3 泥头车加载示意(单位:m、kN)

2.3 理论分析验证数据[7-8]

根据简支桥计算理论，边梁为受力最不利，为计算控制梁，对应不同荷载工况下的计算结果如表1所示。

表1 边梁在各荷载工况下荷载效应

从表1数据可以看出，该桥的边梁的设计弯矩由《89桥规》的挂车－100荷载等级所控制，为723.1 kN·m。拟通行荷载工况1下的弯矩值大于原设计弯矩值，因此该拟通行荷载相对于原设计荷载而言是不安全的。

拟通行荷载工况2与工况3下的弯矩值小于原设计弯矩值，因此该两种拟通行荷载相对于原设计荷载而言是安全的。

另外，采用等效弯矩的方法可以计算出试验荷载为:一辆43 t物料车偏右静止放置以及另一辆43 t物料车靠在偏右车辆旁静止放置。此时边梁的弯矩值为716.0 kN·m，试验弯矩值与设计最不利弯矩比值为0.99，满足《检测规范》规定的荷载效率取值范围为0.8～1.0之间的要求。

根据该桥理论分析结果，可以得出以下结论。

(1)相对于原设计荷载而言，100 t平板车安全通过该桥的条件是:只能沿桥中线一辆车单独通过，通过时保持速度小于30 km/h。

(2)相对于原设计荷载而言，泥头车安全通过该桥的条件是:40 t泥头车常速前行，15 t泥头车(空载)正常速度回程，通过时的速度应小于30 km/h。

(3)试验荷载的弯矩值与设计最不利弯矩的比值为0.99，荷载效率系数满足相关检测规范要求，静载试验在该等效荷载进行是可行的。

3 常规检查

外观质量检查以近距离目视观察为主，检查包括:桥面系、上部结构、支座、下部结构、其他附属设施检查。检查结果显示:该桥主要承重构件基本完好，未见明显结构性病害。但是0号及4号桥台存在明显桥头跳车病害，在载重车通过该位置时，会对1＃及4＃跨主梁产生较大的冲击，从而导致或加速1＃及4＃跨主梁的损坏，影响其结构的耐久性。应对跳车位置进行处理，使桥面平顺化。

该桥各跨主梁的混凝土标号为C40，桥墩的混凝土标号为C35。

4 静载试验

4.1 静载试验试验荷载[9-10]

根据理论分析结果，静载试验的试验荷载为:一辆43 t物料车偏右静止放置以及另一辆43 t物料车靠在偏右车辆旁静止放置于桥跨中。加载位置如图4所示。

图4 加载试验荷载位置(单位:cm)

4.2 挠度试验结果

静载试验在跨中截面处共布置4个挠度测点，如图5所示。

图5 挠度测点位置(单位:cm)

在各级荷载作用下，该桥试验跨实测挠度结果如表2所示。

表2 各工况下测点的挠度实测值 mm

由表2可知，对应试验各跨梁所布置测点的挠度校验系数在0.8～0.95之间，符合检测规范指标(校验系数应在0.7～1.05)。所有测点挠度的残余比均满足检测规范中“残余比应小于20%”的要求，说明该桥板梁结构仍处于弹性工作状态。

实测最大挠度小于26.7 mm(即L/600)，满足《04桥规》第6.5.3条的规定。

4.3 应变试验结果

在简支梁跨中截面布置10个测点观测应变，测点位置如图6所示。

图6 应变测点位置示意

在各工况下，该桥试验跨(第1跨)应变实测数据结果如表3所示。

表3 试验跨各工况下测点的实测应变值 με

由表3可知，对应试验各跨梁所布置测点的挠度校验系数在0.75～0.95之间，符合检测规范指标(校验系数应在0.7～1.05)。所有应变测点的残余比均在7%以内，满足检测规范指标(残余比应小于20%”)，试验表明桥梁结构仍处于弹性工作状态。

4.4 裂缝效应

试验前和试验的过程中，没有出现明显横向受力裂缝。

4.5 静载试验结果

该桥试验跨(第1跨)实测挠度及应变的校验系数基本满足检测规范的规定，挠度、应变的残余比均满足检测规范的要求，最大挠度值满足桥规的要求，试验过程中主梁没有出现横向受力裂缝，由此可以判断该桥各跨在最大试验荷载作用下处于正常工作状态。

因此，该桥试验跨(第1跨)的强度、挠度不但满足原设计荷载标准(汽-20、挂-100)要求，同时也满足拟通行荷载需求。

5 动载试验

5.1 动载试验内容

该桥动载试验按如下两种工况进行动载试验:

(1)桥梁无车辆通行工况下，量测桥梁在受环境自然激励条件下的固有振动频率[11]。

(2)在汽车分别以20 km/h、30 km/h的行驶速度进行跑车使桥梁产生受迫振动的工况下，量测桥梁的振动频率、振幅以及冲击系数。

动态拾振传感器测点沿桥跨按图7布置在桥面各跨跨中，通过在动荷载作用下，测量其动态响应的变化[12]。

图7 动态测点布置

5.2 动载试验结果

该桥在环境自然激励下和跑车等各种动载试验工况下的实测数据结果汇成于表4中，其中自然脉动频谱图如图8所示。

图8 自然脉动各跨测点频谱

表4 各跨实测自振频率

该桥按照梁理论计算得到的第一阶自振频率为8.8 Hz，实测该桥4跨的振动频率分别为:9.10 Hz、9.11 Hz、9.08 Hz及 9.21 Hz，各跨实测的自振频率均大于理论值，表明桥梁结构实际整体刚度大于设计要求刚度，满足设计要求。

该桥第2、3跨在各种速度的跑车工况下的实测冲击系数小于按规范理论计算的冲击系数1.218，满足设计要求。但第1、4跨在30 km/h的跑车工况下的实测冲击系数在1.226～1.231之间，略大于按规范理论计算的冲击系数1.218。结合外观检查结果分析可知，其主要是由于第1、4跨桥头线形不平顺导致出现严重的桥头跳车现象，从而导致实测冲击系数较大，长期会加速或导致1＃及4＃跨主梁的损坏，影响其结构的耐久性。因此需对该位置的桥头跳车病害进行处理，使入口桥面平顺化。