文/樊鋒

1 前言

目前，橋梁承載能力評(píng)估方法主要有承載能力檢算和荷載試驗(yàn)兩種方法，承載能力檢算主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合橋梁缺損、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)等專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行折減，驗(yàn)算承載能力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。荷載試驗(yàn)通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加與控制荷載等效的靜態(tài)外荷載，對(duì)比實(shí)測(cè)與理論結(jié)構(gòu)響應(yīng)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)受力性能。

兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，承載能力驗(yàn)算投入少，但是驗(yàn)算結(jié)果不一定能準(zhǔn)確反映橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)承載能力；荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)承載能力最直觀的方法，但是荷載試驗(yàn)費(fèi)用高、交通影響大。因此，本文提出一種基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法，可用于橋梁結(jié)構(gòu)的快速評(píng)估。

2 基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法

在傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)方法評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)承載能力過(guò)程中，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加與控制荷載等效的靜態(tài)外荷載，測(cè)試結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)變響應(yīng)，將其與理論結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)受力性能。荷載試驗(yàn)不考慮恒載的作用，只考慮活載的影響，一般是汽車(chē)荷載和人群荷載，在彈性階段，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與荷載的變化呈線性關(guān)系，因此可采用實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)影響線，并在影響線上模擬加載的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力快速評(píng)估。

2.1 評(píng)估方法基礎(chǔ)

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，簡(jiǎn)支梁撓度可由式（1）進(jìn)行計(jì)算，連續(xù)梁橋等靜定結(jié)構(gòu)可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)力法轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)再由式（1）計(jì)算[1]。

式（1）中，f 為撓度；F 為梁上集中力；l 為簡(jiǎn)支梁跨徑；a、b 分別為集中力矩兩端的距離；x 為縱向位置；EI 為抗彎剛度[2]。

結(jié)合荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算方法，可得：

式（2）中，η 為校驗(yàn)系數(shù)，fe為試驗(yàn)荷 載 作 用下的實(shí)測(cè)撓度值；fs為試驗(yàn)荷載作用下的理論撓度值；EI為理論抗彎剛度；E'I'為實(shí)際抗彎剛度[3]。由式（2）可知，橋梁結(jié)構(gòu)撓度與其所受荷載呈線性關(guān)系，校驗(yàn)系數(shù)基本穩(wěn)定。根據(jù)荷載試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)M的是設(shè)計(jì)移動(dòng)荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不同類(lèi)型的典型荷載試驗(yàn)案例撓度值隨荷載效率變化見(jiàn)圖1 所示，根據(jù)荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)撓度變化可以看出，撓度變化隨荷載效率增加呈線性關(guān)系，因此采用在實(shí)測(cè)影響線模擬加載進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)估的方法是可行的。

圖1 典型荷載試驗(yàn)案例撓度隨荷載效率變化圖

2.2 評(píng)估流程

基于實(shí)測(cè)撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法基本流程見(jiàn)圖2 所示，總體上分4 個(gè)步驟進(jìn)行：

圖2 快速評(píng)估流程

2.2.1 制定試驗(yàn)方案

按照傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)方案的要求，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)有限元理論分析計(jì)算，按照相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定控制截面，并制定荷載試驗(yàn)方案，本階段的工作與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)相同。

2.2.2 實(shí)測(cè)影響線

根據(jù)荷載試驗(yàn)方案，在控制截面位置布設(shè)動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)，采用荷載試驗(yàn)方案中的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)加載車(chē)勻速駛過(guò)橋面，分別測(cè)試不同工況動(dòng)撓度；根據(jù)動(dòng)撓度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合得到撓度擬合曲線，進(jìn)而分析提取不同工況下的實(shí)測(cè)撓度影響線。橋梁動(dòng)撓度與擬合影響線見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁動(dòng)撓度與擬合影響線

2.2.3 加載模擬

根據(jù)荷載試驗(yàn)方案中擬定的加載方案，在實(shí)測(cè)撓度影響線上進(jìn)行模擬加載（見(jiàn)圖4），由式（3）分析計(jì)算得到試驗(yàn)方案荷載作用下的控制截面撓度值[4]。

圖4 基于影響線的模擬加載示意圖

式（3）中，f 為模擬加載的撓度值；Pi為縱橋向加載車(chē)軸載位置集中力；δi為縱橋向加載車(chē)軸載位置影響線值。

2.2.4 快速評(píng)估

根據(jù)模擬加載計(jì)算得到的控制截面撓度值以及與理論值比較得到校驗(yàn)系數(shù)，通過(guò)校驗(yàn)系數(shù)快速評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.3 新方法優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)相比，基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

表1 基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)

3 工程應(yīng)用

3.1 橋梁概況

虎門(mén)二橋是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中連接廣州和東莞的重要東西向通道，其中大沙水道橋?yàn)橹骺?200m 雙塔單跨懸索橋，跨徑布置為（360+1200+480）m。主塔為混凝土塔，主梁為整體式鋼箱梁，主纜橫橋向中心間距為42.1m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.8m。大沙水道橋橋梁布置見(jiàn)圖5 所示。

圖5 大沙水道橋橋梁布置圖

3.2 實(shí)測(cè)撓度影響線

在主梁八分點(diǎn)位置橋面左右幅分別布置動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)（圖6），采用兩輛載重汽車(chē)并排勻速駛過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)（圖7），測(cè)試不同位置的動(dòng)撓度響應(yīng)，1/4、3/8、1/2截面的實(shí)測(cè)動(dòng)撓度曲線見(jiàn)圖8 所示。

圖6 動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 實(shí)測(cè)動(dòng)撓度

3.3 基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估

根據(jù)實(shí)測(cè)動(dòng)撓度提取擬合影響線，并依據(jù)荷載試驗(yàn)方案的加載位置和加載車(chē)數(shù)量，在影響線上進(jìn)行模擬加載，以四分之一工況為例，影響線模擬加載見(jiàn)圖9所示。通過(guò)模擬加載計(jì)算試驗(yàn)方案荷載作用下的結(jié)構(gòu)撓度值，各工況取左右幅撓度的平均值進(jìn)行評(píng)定；通過(guò)與理論撓度值進(jìn)行對(duì)比，得出撓度校驗(yàn)系數(shù)。

圖9 四分之一工況模擬加載

3.4 評(píng)估結(jié)果對(duì)比

本文快速評(píng)估方法與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)方法結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2 及圖10 所示。通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出，兩者偏差在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明本文方法準(zhǔn)確性較高，可用于橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的快速評(píng)估。

表2 校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

圖10 校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

工程應(yīng)用表明，本文基于撓度影響線的橋梁快速評(píng)估方法與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)方法偏差在5%以?xún)?nèi)，準(zhǔn)確率較高，說(shuō)明本文方法用于橋梁快速評(píng)估是可行的。本文方法所需加載車(chē)少、用時(shí)短，可應(yīng)用于橋梁健康系統(tǒng)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力快速評(píng)定；另外，可針對(duì)基于撓度影響線的快速評(píng)估進(jìn)行進(jìn)一步研究，制定快速評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)可進(jìn)行常規(guī)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。