装配式旧梁桥荷载试验分析与安全评估

王欣欣 赵洁 关蕾

摘 要：为了评定装配式旧梁桥的安全性及其整体性能，以一座服役18年的3 m×20 m的装配式旧梁桥为例，分别进行桥梁外观检测、静力荷载试验、动力荷载试验和单辆车加载试验，并采用迈达斯civil进行数值模拟，再把桥梁的实测挠度值、动力参数与有限元模型的理论值进行对比，结果表明：1#、2#主梁及中横隔梁发生了刚度退化，导致所承担的最大荷载比例下降;而与2#梁相邻的3#梁所承担的最大荷载比例增大，出现了-2.3%误差，出现了荷载横向重分布现象。因此，依据荷载试验结果，亟须对该桥进行维修加固。

关键词：桥梁工程;装配式梁桥;荷载试验;安全评估

中图分类号：U44       文献标识码：B文章编号：1001-5922（2022）01-0178-06

Load test analysis and safety assessment of prefabricated old beam bridge

WANG Xinxin，ZHAO Jie，GUAN Lei

（Xi′an Vocational and Technical College，Xi′an 710076，China）

Abstract：In order to evaluate the safety and overall performance of the prefabricated old beam bridge，a 3 m×20 m long bridge with 18 years of service was selected as an example to conduct bridge appearance inspection，static load test，dynamic load test and single vehicle loading test respectively，and the numerical simulation was carried out by Midas civil.Then the measured deflection value and dynamic parameters of the bridge were compared with the theoretical value of the finite element model.The results showed that the stiffness degradation of 1#，2# main beam and middle diaphragm occurs，which led to the decrease of the bridge’s maximum load ratio，while the maximum load proportion of 3# beam adjacent to 2# beam increases，which results in - 2.3% error and lateral load redistribution.Therefore，according to the load test results，it was necessary to repair and strengthen the bridge.

Key words：bridge engineering;prefabricated beam bridge;load test

随着交通量的日益增长、装配式梁桥服役年限的增加以及外界环境的变化和超载频繁，装配式梁桥出现了桥面开裂、主梁开裂、接缝失效和横隔梁破损等纵横向刚度损伤情况，严重影响桥梁荷载横向分布状况，导致装配式梁桥出现单板现象，甚至出现严重的桥梁坍塌事故[1-5]。因此，如何准确评估在役桥梁各构件的损伤情况和横向分布能力，便于桥梁检测评估和加固前的评判，是广大桥梁从业者亟须解决的问题。

1 工程概况

该桥于2002年建成，主梁片数为6片，宽跨比为0.75，上部结构采用3 m×20 m预应力混凝土连续箱梁，全长为60 m，梁高1.5 m，单个T梁宽度为2.5 m，桥宽15 m，布置形式为0.5 m+14 m（行车道）+0.5 m。横向连接方式为桥面（翼缘）接缝刚接和横隔梁连接，其中横隔梁设置了3片，分别为2片端横隔梁和1片中横隔梁。

2 荷載试验过程及分析

2.1 试验概况及有限元分析

2.1.1 试验概况

荷载试验分为3个部分：静力荷载试验主要为了得到在静载作用下每片主梁的挠度值;动力荷载试验主要是为了得到桥梁的模态参数;单辆车加载试验是为得到桥梁实际情况的荷载横向分布系数，为其他方法计算所得的荷载横向分布系数提供参照标准。在荷载试验前，对桥梁进行了外观检查，其中发现桥梁边跨出现破损情况，如图2中所示。其中，1#与2#梁之间的横隔板连接处出现破损与钢筋严重锈蚀的状况;1#与2#梁、2#与3#梁的桥面接缝出现连续裂缝的状况。此外，1#～3#梁出现不同程度的损伤，表现为主梁部分地方出现腹板侧面竖向裂缝及底面横向和纵向裂缝;其他主梁和桥面接缝外观较为完好。

2.1.2 有限元模拟

基于既有公路20 m预应力混凝土连续T梁的构造形式建立梁格模型，每片T梁用纵向构件模拟，横隔板用横向构件模拟，湿接缝采用仅有刚度无质量的虚拟横梁模拟;荷载等级采用公路Ⅰ级加载控制，按照荷载工况进行加载，分别进行静动载有限元模拟，具体数据结果如表1～表5所示。全桥共3跨，划分1 362个节点，1 361个单元;其中梁体主要部分共972个单元，有限元梁格法模型如图3。

2.2 静力荷载试验

加载分为中载、偏载以及分级加载，加载现场如图4所示。

2.2.1 试验内容及测点布置

该桥为3 m×20 m，试验跨选择边跨和中跨，共2跨，测试截面分别为J1和J2;在J1、J2截面的横向的每片主梁的跨中分别布置挠度测试点，每个截面6个，共12个测点，具体测点布置如图5所示。

2.2.2 中载、偏载试验结果及分析

由表1、表2及图6～图9可知，对于中跨J2截面整体受力性能好于J1截面，J2截面的理论计算挠度值均大于实测值，各测点的校验系数也小于1;说明桥梁实际的安全储备足夠，还处于弹性阶段。而对于边跨J1截面，在偏载作用下，1#主梁的校验系数等于1;在中载作用下，2#主梁的校验系数接近于1，由公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21—2011）的规定，当测点的静力校验系数出现大于1的情况，则表明该梁的承载力出现不足，需要及时加固维修。因此，需要对边跨的荷载横向分布具体能力进行量化评估，为后续的加固维修工作做准备，以下都以边跨为例进行研究。

2.3 动力荷载试验

2.3.1 试验内容及测点布置

为了测得桥梁前3阶的竖向自振频率及振型，在桥面上布置多个拾振器，其中在横向布置12个测点，1个参考点;竖向15个测点，1个参考点，参考点均在伸缩缝以外。多次对环境激励下桥梁响应信号的功率谱进行平均分析，并利用每个测量点的幅度和相位关系，可获得桥梁的固有振动频率和模态值。其加速度信号由拾振器采集，并通过放大器放大再由采集仪采集大量加速度信号。环境振动的采样频率为500 Hz，采样时间1 500 s，环境振动测试具体如图10所示。

2.3.2 试验结果及分析

桥梁脉动试验实测自振频率如表3所示，其典型的跨中竖向测点时程曲线及频谱分析数据如图11所示，采用随机子空间法（SSI）和峰值法（PP）识别桥梁的模态参数。

由表3可知，自振频率理论值与实测值误差较大，且阶数越高误差越大，最大误差为-45.8%;因此需要对桥梁的自振频率进行修正。

2.4 单辆车加载试验

2.4.1 试验内容及测点布置

为了检测桥梁实际的荷载横向传递能力，得到每片主梁的实际荷载横向影响线，对试验桥进行单辆车加载试验，对每片梁的实际荷载横向分布进行测试[22]。桥梁是由6片T梁组成，即使左右对称，但桥梁实际运营期间受力并不一定对称，因此选取1#～6#梁分别进行试验。车辆选择30 t的车，车辆荷载中线纵向布置在桥梁跨中截面，横向尽量布置在每片主梁的梁肋处，每次只加载一片梁;然后测试每片主梁跨中截面挠度值，通过每片梁跨中挠度值得到主梁影响线。车辆横向布载位置如表4所示，单辆车荷载加载试验只选择边跨J1截面进行测试，布置6个位移传感器，车辆的具体布置和位移传感器布置如图12所示;其中车辆横向布载位置，指的是车辆荷载中线到左栏杆边缘的距离。

2.4.2 试验结果及分析

表5的数据是由单辆车加载测得的每片主梁的跨中数据。挠度值以方向向下为正;反之为负。

由表5各主梁荷载横向分布影响线进行最不利加载，便可以求得每片主梁跨中截面的实际荷载横向分布系数，同时通过有限元模型计算理论的数值。由表6可知，很明显1#、2#主梁理论计算值与实测值误差较大;与1#和2#主梁对称相应的5#和6#主梁的理论计算值与实测值误差较小，说明1#和2#主梁及其横向联系发生了刚度退化，导致所承担的最大荷载比例下降;与2#梁相邻的3#梁所承担的最大荷载比例增大，出现了-2.3%误差，出现了荷载横向重分布现象。

3 结语

本文以一座服役了18年的装配式T梁桥为工程实例，分别进行了桥梁外观检测、静力荷载试验、动力荷载试验和单辆车加载试验，通过桥梁检测及其试验数据分析发现：在偏载作用下，1#主梁的校验系数等于1;在中载作用下，2#主梁的校验系数接近于1，这表明其承载力存在不足的情况。此外，1#、2#主梁荷载横向分布系数理论计算值与实测值误差较大，这说明1#、2#主梁及其横向联系发生了刚度退化，导致所承担的最大荷载比例下降。

【参考文献】

[1]郑元勋，郭慧吉，谢宁.基于统计分析的桥梁坍塌事故原因剖析及预防措施研究[J].中外公路，2017，37（6）：125-133.

[2] 潘言全，冯大鹏.国内桥梁的现状与应解决的问题[J].中国水运（学术版），2007（8）：78-79.

[3] 姚晓飞，徐岳，付迎春，等.混凝土T梁桥结构体系损伤评价试验研究[J].公路交通科技，2009，26（6）：79-83.

[4] 姚晓飞，徐岳，丁怡洁，等.公路混凝土T梁桥结构体系损伤评定[J].广西大学学报（自然科学版），2010，35（1）：120-126.

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