某改扩建T 梁桥承载能力分析与评估

韦修箭

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052）

近年来，随着社会经济的快速发展，部分地区的高速公路已不能满足当地经济发展的需要，而需对既有高速公路改扩建，高速公路改扩建项目在当前高速公路建设项目中所占的比重逐年攀升[1-2]。拟改扩建高速公路既有桥梁建设年代一般较早，由于早期桥梁设计荷载等级偏低以及设计规范的更替，需要对既有桥梁进行科学的评估以判断其是否满足当前设计要求。

装配式T 梁桥由于在高速公路桥梁中所占的比重大，是既有高速公路改扩建工程中所需要面临的重点问题。桥梁静载试验是通过施加荷载对桥梁结构响应进行现场试验测试，对于既有桥梁，荷载试验可以评估其使用性能和承载能力，为其继续使用、养护、加固、改建等提供可靠的技术资料[3-7]。对既有T 梁桥承载能力进行准确评估，有利于对既有T 梁桥利用与否作出科学的决策，为改扩建方案设计提供必要的技术依据。

文章以某拟改扩建高速公路30m 跨径预应力混凝土简支T 梁桥为研究对象，通过对该桥进行现场荷载试验，测试结构相应的力学性能参数，评估该桥梁结构的实际承载能力与工作性能，为该桥后期的改扩建提供基础数据，并为其他类似桥梁的承载能力评估提供一定的技术参考。

1 工程概况

某大桥上部结构采用30m 预应力混凝土T 梁桥，结构简支，桥面连续，其跨径组合为11m×（5×30）m，桥梁采用双幅分离布置形式，桥梁全宽28.0m。单幅桥横向共布置6 片T 梁，单片T 梁梁高2.0m。下部结构采用单排双柱式桥墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。桥面铺装采用9cm 普通混凝土层+10cm 沥青混凝土面层。桥梁原设计荷载等级为：汽车-超20 级、挂车-120。单幅桥标准横断面示意图如图1 所示。

图1 桥梁标准横断面示意图（单位：cm）

现由于该高速公路拟进行改扩建，改扩建后的桥梁荷载等级提升至公路-Ⅰ级，需对该桥实际承载能力进行检测评估。

2 静载试验方案

该T 梁桥原设计荷载横向分布系数采用刚接板梁法计算，基于Midas/Civil 桥梁结构分析软件，对结构内力进行分析。考虑桥梁拟提升荷载等级，采用桥梁原设计荷载等级以及拟提升荷载等级分别进行计算。

2.1 试验工况

在拟提升荷载等级下，结构控制截面的内力较原设计状态下有所提升，为了准确评估桥梁结构实际承载能力，在设计试验工况时，需考虑两种不同的荷载等级。同时，该桥已运营多年，对于多梁式结构桥梁，梁间横向联系对结构整体受力影响较大，需对结构实际横向联系性能进行测试。根据该桥的结构受力特点，选取以下两个关键工况作为分析对象：

工况一：跨中截面T 梁间横向联系性能测试；工况二：跨中截面最大正弯矩及挠度工况（偏载）。

2.2 试验加载

对于工况一，采用一辆加载车辆于跨中截面横向不同的位置进行加载，测试在不同加载位置下，T梁跨中截面的挠度分布情况，T 梁间横向联系测试加载平面布置如图2 所示。

图2 T 梁间横向联系测试加载平面布置图（单位：cm）

图中，Y 为加载车轮位横向定位参数，Y 的取值见表1。

表1 T 梁间横向联系测试加载车轮位表

对于工况二，试验加载采用弯矩等效原则，试验加载选用3 轴总重350kN 重载车辆（前轴重70kN、中后轴重140kN），静载试验效率取0.95～1.05之间[8-9]。为了测试在两种不同荷载等级等效加载作用下结构的响应状态，将工况二试验加载分五级，并使在第三级试验荷载下，结构控制截面内力满足原设计荷载等级要求；在第五级试验荷载下，结构控制截面内力满足拟提升荷载等级要求。控制截面静力试验荷载效率见表2。

表2 控制截面静力试验荷载效率表

2.3 试验测点布置

1）挠度测点布置。在结构跨中截面以及支点截面每片T 梁下布置挠度测点，采用百分表进行测试，共计18 个测点。T 梁挠度测点横断面布置如图3 所示。

图3 T 梁挠度测点横断面布置图

2）应变测点布置。选取T 梁跨中截面作为应变测试截面，应变传感器沿纵桥向布置于混凝土表面，应变测点横断面布置如图4 所示。

图4 T 梁应变测点横断面布置示意图（单位：cm）

3 试验结果分析

3.1 T 梁间横向联系性能分析

在工况一加载作用下，通过分析横向不同载位下T 梁跨中截面挠度分布情况，得到各片T 梁跨中截面的横向影响曲线，如图5～图所10 示出各片T梁实测横向影响曲线与按刚接板梁法计算的理论横向分布影响曲线对比情况。

图5 1#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

图6 2#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

图7 3#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

图8 4#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

图9 5#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

图10 6#T 梁实测横向影响线与理论计算对比图

从实测横向分布影响曲线与理论值比较关系图可以看出：3、4# 梁实测横向分布影响线比理论值明显偏大，说明与3、4#T 梁相关的横向联系较理论计算情况偏弱，T 梁实际受力较理论值偏大。

3.2 结构承载能力分析

1）工况二第三级试验加载分析。在第三级试验荷载作用下，测试跨中截面T 梁弹性挠度以及截面下缘的弹性应变，分别与按照实测T 梁横向影响线计算的理论值以及按照刚接板梁法计算的理论值进行对比，如图11～图12 所示。

图11 实测弹性挠度与理论计算情况对比曲线

图12 实测弹性应变与理论计算情况对比曲线

通过理论计算与实测值进行对比，T 梁在第三级试验加载作用下挠度与梁底应变分布具有以下特点：

（1）在偏载作用下，2#、3# 梁跨中截面实测弹性挠度及应变比1# 梁大，2#、3# 梁实际受力状态较为不利，实测T 梁跨中截面挠度以及截面下缘应变分布规律与按照实测横向影响线计算理论值较为相符，与按照刚接板梁法计算的理论值存在较大差异，说明T 梁间实际横向联系性能与刚接板梁法存在一定差异。

（2）实测弹性挠度以及弹性应变均小于理论计算值，按实测横向影响线计算挠度最大校验系数为0.672，按实测横向影响线计算应变最大校验系数为0.863，校验系数均小于1，说明在桥梁原设计荷载等级下，主梁截面刚度以及强度均能满足规范要求。

2）工况二第五级试验加载分析。在第五级试验荷载作用下，测试T 梁跨中截面弹性挠度以及截面下缘的弹性应变，分别与按照实测T 梁横向影响线计算的理论值以及按刚接板梁法计算的理论值进行对比，如图13～14 所示。

图13 实测弹性挠度与理论计算情况对比曲线

图14 实测弹性应变与理论计算情况对比曲线

通过理论计算与实测值进行对比，T 梁在第五级试验加载作用下，可得到以下结论：

（1）T 梁跨中截面实测弹性挠度均小于理论计算值，按实测横向影响线计算挠度最大校验系数为0.696，校验系数均小于1，说明在桥梁拟提升荷载等级下，主梁截面刚度能满足规范要求。

（2）2#、3#、4#T 梁跨中截面梁底实测弹性应变大于按实测横向影响线计算理论值，实测应变最大校验系数为1.010，校验系数大于1，说明结构实际状况与理想状况相比偏不安全，桥梁现状承载能力不能满足拟提升荷载等级要求。

4 结论

1）通过T 梁间横向分布性能测试以及跨中最大正弯矩偏载作用下结构挠度及应变的分布规律，可以得到T 梁实际横向联系性能与刚接板梁法存在一定差异，在偏载作用下，2#、3# 梁的实际受力比1#梁更不利。

2）通过第三级试验加载结果，可以得到主要测点的挠度及应变校验系数均在合理范围内，在桥梁原设计荷载等级下，主梁截面刚度以及强度均能满足规范要求。

3）通过第五级试验加载结果，可以得到主要测点挠度校验系数均小于1，满足规范要求；2#、3#、4#梁底测点应变校验系数大于1，桥梁实际承载能力不能满足拟提升荷载等级要求。

4）基于现场桥梁荷载试验，可以全面地掌握该桥的结构受力特性，准确评估其承载能力，该桥在后期改扩建过程中，应针对T 梁间实际荷载横向分布特性以及强度富余不足进行相关的处治措施，为后期该桥改扩建设计提供技术依据。该桥所采用的承载能力评估方法，合理可行，可供其他类似桥梁承载能力评估借鉴。