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摘要：橋梁工程作為我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要組成內(nèi)容，對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、文化交流都起著重要影響。但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移，既有橋梁結(jié)構(gòu)也不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，使其預(yù)期的路用性能發(fā)生損害，因此這就需要可靠的結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)、評(píng)估方法來(lái)予以保障。本文基于我國(guó)某橋梁工程實(shí)例，建立了與之相應(yīng)的有限元模型，并與動(dòng)力、靜力試驗(yàn)相結(jié)合，完成了結(jié)構(gòu)的承載力評(píng)估。

關(guān)鍵詞：既有橋梁結(jié)構(gòu)；承載力檢測(cè)；承載力評(píng)估

既有橋梁在運(yùn)營(yíng)期間，往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的性能損失，使得其承載能力持續(xù)下降。尤其是在我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)數(shù)量與體量飛速發(fā)展的背景下，橋梁監(jiān)測(cè)的要求也越來(lái)越高。通過(guò)可靠的結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)與評(píng)估，能夠較為準(zhǔn)確地判定結(jié)構(gòu)的損傷情況以及預(yù)期壽命，進(jìn)而為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改建、加固等提供相應(yīng)的理論支持。目前我國(guó)在橋梁結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)方面所應(yīng)用的技術(shù)較為繁多，其中荷載試驗(yàn)憑借簡(jiǎn)單、有效的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。荷載試驗(yàn)不僅能夠在新建工程中發(fā)揮良好的作用，同時(shí)也可用于舊橋加固前的檢測(cè)評(píng)估。其中，對(duì)于新建橋梁而言，荷載試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確、直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量好壞，一般而言在重大橋梁工程項(xiàng)目正式投入運(yùn)營(yíng)前都應(yīng)當(dāng)通過(guò)荷載試驗(yàn)來(lái)做出評(píng)估；而對(duì)于舊橋而言，荷載試驗(yàn)?zāi)軌蜥槍?duì)性地提出加固指導(dǎo)意見(jiàn)，并為加固后結(jié)構(gòu)的維護(hù)建立參考。

1工程概況

本文以我國(guó)某橋梁工程實(shí)例為基礎(chǔ)展開(kāi)分析，該項(xiàng)目采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)，共四跨（33m+45m+45m+33m）。橋面分為左右幅，選定為雙向六車(chē)道方案。設(shè)計(jì)荷載定為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)速為50km/h。該項(xiàng)目各跨的布置如圖1所示，目前已竣工投入運(yùn)營(yíng)達(dá)5年。

2有限元模型構(gòu)建

本文采用Midas/Civil軟件建立與工程結(jié)構(gòu)相應(yīng)的模型并完成有限元分析。在本模型中，共將結(jié)構(gòu)劃分為79個(gè)節(jié)點(diǎn)及78個(gè)單元。其中主梁的材料定義為C50混凝土，其中的縱向預(yù)應(yīng)力筋定義為15.24鋼絞線（fpk=1860MPa），預(yù)應(yīng)力筋在張拉時(shí)應(yīng)當(dāng)將張拉應(yīng)力控制在1395MPa附近，且均以端部張拉的方式完成。由此所建立的有限元模型如圖2所示，各支座的約束條件如表1所示。

3承載力試驗(yàn)分析

3.1靜載力試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)工況。基于橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其受力性質(zhì)，可將靜力荷載大致分為兩個(gè)不同工況條件，并分別測(cè)試其最大正彎矩及最大負(fù)彎矩，荷載試驗(yàn)檢測(cè)工況表如表2所示。通過(guò)荷載試驗(yàn)測(cè)試可以得到控制截面彎矩的影響線如圖3和圖4所示。3.1.2靜載試驗(yàn)結(jié)果分析?？刂平孛娴膽?yīng)力測(cè)試結(jié)果。通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況一、工況二在各級(jí)荷載下的應(yīng)變、卸載時(shí)的應(yīng)變以及相對(duì)殘余應(yīng)變分別如表3、表4所示。表中數(shù)值為正則代表拉應(yīng)變，負(fù)值則代表壓應(yīng)變。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大、最小殘余應(yīng)變比分別為18%、0，兩者均滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范20%的限值標(biāo)準(zhǔn)。3.1.2靜載試驗(yàn)結(jié)果分析控制截面的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況一、工況二在各級(jí)荷載下的應(yīng)變、卸載時(shí)的應(yīng)變以及相對(duì)殘余應(yīng)變分別如表3、表4所示。表中數(shù)值為正則代表拉應(yīng)變，負(fù)值則代表壓應(yīng)變。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大、最小殘余應(yīng)變比分別為18%、0，兩者均滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范20%的限值標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于邊梁不同側(cè)面的相同高度位置，試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的應(yīng)變量往往存在突出的差異，且受拉挖側(cè)的應(yīng)變顯著大于內(nèi)側(cè)；但在受壓區(qū)則呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，這也表明梁體自身具有一定的斜彎曲。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與彎矩值之間保持近似線形相關(guān)，因此可以認(rèn)定在該階段下截面處于線彈性狀態(tài)，由此也可得到在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)變。此外，試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的應(yīng)變值與截面高度之間存在線性關(guān)聯(lián)性，因此在試驗(yàn)過(guò)程中截面滿足平截面假定。按照上述研究結(jié)果即可歸納得到應(yīng)變的回歸方程，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步推斷得到最大試驗(yàn)荷載下的平均拉應(yīng)變及平均壓應(yīng)變。在結(jié)構(gòu)處于完全線彈性狀態(tài)下時(shí)，可以通過(guò)測(cè)定測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變情況來(lái)大致推算得到該位置的應(yīng)力水平。其中計(jì)算值、實(shí)測(cè)值之間偏差可以通過(guò)結(jié)構(gòu)效驗(yàn)系數(shù)來(lái)反映。對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋而言，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求應(yīng)當(dāng)將這一指標(biāo)控制在0.6-0.9的區(qū)間內(nèi)。調(diào)取有限元分析中工況一、工況二下控制截面的邊緣應(yīng)力水平，將其與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值比對(duì)即可得到表5。3.1.3抗裂性分析。在預(yù)應(yīng)力混凝橋梁的結(jié)構(gòu)管理中，抗裂性也是一項(xiàng)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，同時(shí)其也直接反映著結(jié)構(gòu)整體的承載能力。在開(kāi)展荷載試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用跨中位置頂部約1m的區(qū)段，在其上連續(xù)布設(shè)5個(gè)應(yīng)變傳感器，以此獲取該位置在不同等級(jí)荷載所發(fā)生的應(yīng)變。將荷載效率系數(shù)、實(shí)測(cè)應(yīng)變分別作為X軸、Y軸，即可繪制得到ε-ηq圖，若在圖中曲線存在拐點(diǎn)，也即代表在該試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)開(kāi)裂。試驗(yàn)表明，實(shí)測(cè)應(yīng)變、外加彎矩之前保持著較好的線性關(guān)聯(lián)性，這也代表在加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。此外，試驗(yàn)加載時(shí)技術(shù)人員也對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的觀察，并未發(fā)現(xiàn)裂縫，因此可認(rèn)為梁體具有較好的抗裂性能。

3.2動(dòng)載力試驗(yàn)

3.2.1行車(chē)試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)行車(chē)試驗(yàn)開(kāi)展全過(guò)程中跨中以及1/4跨位置處的振幅和動(dòng)位移指標(biāo)，并將其分別列在表6及表7中。根據(jù)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，跨中及1/4跨位置處的最大振動(dòng)幅值均在500km/h時(shí)達(dá)到，且這峰值隨著車(chē)速的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。同時(shí)，沖擊系數(shù)與車(chē)速之間也存在正相關(guān)聯(lián)，車(chē)速越大、沖擊系數(shù)越大，當(dāng)車(chē)速達(dá)到30km/h時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得相應(yīng)的沖擊系數(shù)為0.19，這與設(shè)計(jì)值比較貼合。通過(guò)行車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自譜分析可以發(fā)現(xiàn)，在外加車(chē)輛荷載的基礎(chǔ)上橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率分別達(dá)到了2.64Hz、3.51Hz、4.64Hz以及5.08Hz。3.2.2制動(dòng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，借助自重為38噸的車(chē)輛在跨中處開(kāi)展兩次制動(dòng)。在跨中及1/4跨位置處分別布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量橋梁順橋向的振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)得振動(dòng)幅值如表8所示。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)振動(dòng)的衰減頻率約為2.54Hz、3.66Hz及5.08Hz。3.2.3跳車(chē)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，借助自重為38噸的車(chē)輛在跨中處開(kāi)展兩次跳車(chē)試驗(yàn)，保持車(chē)輛順下坡方向前進(jìn)。在跨中及1/4跨位置處分別布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的相應(yīng)，其數(shù)據(jù)如表9所示。針對(duì)跨中位置的跳車(chē)余振做出分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的衰減的頻率約為2.59Hz、3.61Hz、4.64Hz及5.08Hz。3.2.4脈動(dòng)試驗(yàn)。受到風(fēng)荷載、水流沖擊等的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)發(fā)生振動(dòng)，在實(shí)際工程中可借助高精度設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算得到自振周期、振型、阻尼比等基本參數(shù)。傳在本研究中將傳感器布置于跨中及1/4跨位置處，并分別獲得相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)脈動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自振頻率為2.62Hz、3.52Hz、4.57Hz及5.08Hz。3.2.5橋梁固有頻率理論值。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展自由振動(dòng)分析時(shí)，若涉及到有限單元軟件，一般可借助程序內(nèi)置的子空間迭代法、多重Ritz向量法等特征值計(jì)算法完成分析。其中，子空間迭代法對(duì)于大型矩陣特征值的求解具有較好的效果，在動(dòng)力學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)整體一般具有較多的自由度，因此在分析其響應(yīng)時(shí)僅要求掌握部分較低特征值即可，具有較高的求解效率。在應(yīng)用子空間迭代法進(jìn)行求解時(shí)，需要首先假定r個(gè)起始向量并對(duì)其進(jìn)行迭代計(jì)算以此得出矩陣的前p個(gè)特征值及其相應(yīng)特征向量。若r較小，不僅可能導(dǎo)致遺漏振型，同時(shí)還可能得出原不應(yīng)出現(xiàn)的振型。在通過(guò)有限元分析即可得出該橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率的前5階計(jì)算值，如表10所示。根據(jù)表10內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，該橋梁結(jié)構(gòu)的橫向、豎向一階振動(dòng)頻率分別為1.05Hz、1.96Hz，且豎向一階振動(dòng)頻率出現(xiàn)的時(shí)間稍晚，這表明結(jié)構(gòu)在豎向上的剛度要大于橫向，這與工程實(shí)際設(shè)計(jì)方案中的結(jié)構(gòu)體系相契合。試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的自振頻率均高于理論分析值，這也表明結(jié)構(gòu)是剛度較理論更大，但仍處在合理范圍內(nèi)。

4承載力評(píng)估分析

4.1基于靜載試驗(yàn)的承載力評(píng)估

4.1.1應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在工況一條件下測(cè)得上緣、下緣的壓應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分別為0.63、0.64；在工況二條件下測(cè)得上緣、下緣的壓應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分別為0.63、0.68。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的0.6-0.9區(qū)間要求，且較標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間更小，這也表明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)較好。4.1.2撓度校驗(yàn)系數(shù)。在工況一條件下測(cè)得撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.71，滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的0.7-1.0區(qū)間要求，且較標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間更小，這也表明結(jié)構(gòu)的剛度較好。此外，將截面最大撓度控制在合理范圍內(nèi)，使得設(shè)計(jì)撓度小于L/600，這也滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的剛度要求。

4.2基于動(dòng)載試驗(yàn)的承載力評(píng)估

4.2.1自振頻率。根據(jù)理論分析得到該橋梁結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為1.05Hz，而在行車(chē)試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)、跳車(chē)試驗(yàn)以及脈動(dòng)試驗(yàn)下分別實(shí)測(cè)得到結(jié)構(gòu)的一階自振頻率為2.64Hz、2.54Hz、2.59Hz以及2.62Hz。由此可見(jiàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)得到的自振頻率均大于理論分析值，這也表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較大，這與靜載試驗(yàn)的分析結(jié)果較為契合。4.2.2沖擊系數(shù)。隨著車(chē)速的提升，沖擊系數(shù)也隨之逐漸增大。當(dāng)車(chē)速達(dá)到30km/h時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值則為0.19。沖擊系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)值更高，這就表明橋面平整度較差，在日常維護(hù)運(yùn)營(yíng)中應(yīng)當(dāng)采取有效措施進(jìn)行改善，降低沖擊效應(yīng)的不利影響。

5結(jié)論

本文基于目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的橋梁承載力評(píng)價(jià)方法，分別從靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)兩個(gè)層面展開(kāi)分析，結(jié)合我國(guó)某四跨連續(xù)橋工程實(shí)例比對(duì)了Midas/Civil有限元分析與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變形均符合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求，且結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)得到的殘余撓度較小，受力過(guò)程中結(jié)構(gòu)始終處于線彈性狀態(tài)下。此外，動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)得結(jié)構(gòu)的實(shí)際自振頻率較理論分析值更大，反映了結(jié)構(gòu)具有較高的剛度這與靜載試驗(yàn)的結(jié)果較為一致。

作者:鄭宗鶴 樊聰鎬 單位:中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司