水利工程河道桥承载能力评估与分析

王倩男

(上海中测行工程检测咨询有限公司，上海 200438)

1 工程概况

某预应力简支梁桥建成于2007年，该桥横跨某水利工程河道。其上部主要由预应力空心板构成，共5跨，每跨9片空心板；板式橡胶支座；其下部用桩柱式墩台。

2 评估目的

采用静荷载、动荷载试验，系统地评估与分析该既有梁桥结构的刚度、强度、振动特性、正常使用性能等，全面评价该河道桥结构体系的承载能力。

3 静荷载试验评估与分析

经各方技术核定，选静载试验对象为河道桥第5跨，主要检测参数为：控制截面挠度与应变、裂缝检测(加载过程中观察桥面板、桥台混凝土是否产生裂缝)[1]。

3.1 测点布置

根据该河道梁桥的实际结构与受力情况，通过桥梁有限元分析软件Midas/Civil建模计算，分析选择出静荷载试验测试截面位置为第5跨跨中。采用振弦式应变计测定各控制截面的应变值；将棱镜布置于桥面各控制截面上，通过全站仪检测静荷载作用下的挠度值。

3.2 试验加载方案

根据桥梁实际情况及设计要求，确定公路-Ⅱ级，人群荷载3.5KN/m2为该河道梁桥的理论计算荷载，根据桥跨结构跨中截面的布置及受力特点建立桥梁整体空间模型，计算结果如下：①偏载工况下主梁弯矩588.3 kN·m，挠度-11.4mm；②偏载工况下主梁弯矩555.0kN·m，挠度-11.1mm。

加载车辆：为满足规范规定荷载试验效率要求，本次试验选取2辆四轴载重车辆作为试验荷载，为方便布载，所有重车均进行编号，正式加载前对各车辆进行过磅称重，实际加载时精确记录车辆实际加载位置，加载车轴重信息如下：

重车①轴重：第1轴8.43t、第2轴8.43t、第3轴16.89t、第4轴16.89t；

重车②轴重：第1轴8.27t、第2轴8.27t、第3轴16.71t、第4轴16.71t。

加载布置及加载效率系数：车辆加载位置根据各测试断面的设计内力值和规范规定的试验荷载效率条件来确定。根据主梁断面弯矩影响线，可确定测试控制截面，本次试验设置2个加载工况，每个工况分3级加载，试验车辆加载布置示意图见图1。

Ⅰ 偏载工况：第1跨控制截面最大正弯矩 Ⅱ 中载工况：第1跨控制截面最大正弯矩

根据上述车辆加载位置，可以得到跨中控制截面主梁的试验荷载效率测定结果如下：(偏载工况)测试弯矩564.9 kN·m，设计弯矩588.3 kN·m，测试弯矩与设计弯矩之比0.96；(中载工况)测试弯矩536.3 kN·m，设计弯矩555.0 kN·m，测试弯矩与设计弯矩之比0.97。各测试截面静载试验荷载效率满足JTG/TJ21-01-2015规定的0.95-1.05要求。

加载方案：首先对桥梁实施预加载环节，在预加载卸载后，须等结构得到充分零恢复以后，方可再进入正式加载环节。正式加载采用分级加载方式，测试加载流程，见表1[2]。

表1 测试加载流程

3.3 静荷载试验结果

在各工况作用下，进行结构控制截面应变、挠度测试，偏载工况作用下控制截面应变测试结果，见表2，典型工况作用下实测挠度及理论分析结果见表3，其中：“+”表示拉应变，“-”表示压应变。偏载工况作用下控制截面挠度测试结果，见表3。

表2 偏载工况作用下控制截面应变测试结果 με

表3 偏载工况作用下控制截面挠度测试结果 mm

通过对该桥挠度和应变在控制荷载工况作用下的数据分析可以得出：在试验荷载作用下，该桥应力与挠度校验系数均≤1.0；该桥测试断面卸载后其相对残余应变及挠度均未超过20%，桥梁结构在卸载后能够及时恢复。

4 动荷载试验评估与分析

4.1 结构自振特性测试

该河道桥为5等跨简支梁桥，采用有限元分析软件midas/civil建立结构模型，进行模态分析，得出顺桥向对称振动结构第1阶自振频率：3.49 Hz，周期0.29s，河道桥第一阶振型，见图2。

图2 河道桥第1阶振型

4.1.1 试验内容及测点布置

通过测定桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动来识别结构自振特性参数(自振频率、振型及阻尼比)，在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，本次脉动试验采样时间30min，根据JTG/TJ21-01-2015规定，对简支梁测试出第1阶自振频率及振型，所有测点均布置在桥面上。自振频率及振型的测量传感器采用891-II型加速度传感器，后续的调理器及数据采集设备采用INV 3020C动态信号采集分析系统。

4.1.2 结构自振特性分析

一般在桥梁结构存有缺损等情况下，其自振频率会有所下降，振型出现变异。本次顺桥向对称振动试验结构频率理论值为3.49Hz、频率实测值为5.15Hz，频率比1.48，桥梁的第1阶振型频率值均大于第一阶振型频率理论值，表明结构实际整体刚度大于理论刚度。

4.2 结构动力特性测试

4.2.1 试验内容及测点布置

结构动力特性测试时，采用载重汽车匀速通过桥跨结构，根据控制截面测点在跑车试验时记录的动应变或动挠度曲线进行分析处理得出活载冲击系数—动力系数，可按以下公式进行计算。

(1)

式中：ymax为动载作用下该测点最大应变(或挠度)值；ymean为相应的静载作用下该测点最大应变值(或挠度)值，其值可由动应变(或动挠度)曲线求得：

(2)

式中：ymax为相应的最大应变(或挠度)值；ymin为相应的最小应变(或挠度)值。

4.2.2 跑车试验结果

试验采用一辆载重汽车，以不相同的速度匀速通过桥跨结构，桥梁典型控制截面测点的动应变时间历程响应曲线，应变时程曲线(15km/h无障碍行车情况)见图3。

图3 应变时程曲线(15km/h无障碍行车情况)

动荷载试验得出：实测中跨跨中冲击系数平均值μ=0.071，最大冲击系数μ=0.123，均低于理论冲击系数(μ=0.205)，说明桥梁结构平顺。

5 结 语

经承载能力检测评估与分析：该河道梁桥结构在静荷载作用下，整体刚度较大，强度及承载能力可满足设计规范与设计荷载运营要求。在动荷载作用下，桥梁第一阶振型实测频率大，实测冲击系数小，桥梁整体结构平顺，实际刚度满足要求。