基于刚度识别桥梁承载能力评定方法探究

'基于刚度识别桥梁承载能力评定方法探究　　摘要：针对大跨径连续箱梁存在开裂问题，基于荷载试验识别箱梁的实际抗弯刚度，为桥梁的下挠、承载能力评定提供参考方法。关键词：连续箱梁、开裂、刚度识别、承载能力评定中图分类号：C35文献标识码：A一、前言九江大桥是佛开高速公路上的一座特大型桥梁，主跨跨径组合为(50+100+160+160+100+50)m变截面预应力连续箱梁。前期检查主要病害情况为部分节段箱梁腹板出现竖向和斜向裂缝，顶板出现纵向裂缝，梁体局部混凝土剥落露筋。针对以上病害情况，在日常养护过程中进行了相应的维修加固，主要维修措施如下：1）对梁体裂缝予以封闭修补；2）部分节段顶板和腹板粘贴钢板；3）部分节段顶板粘贴碳纤维布；4）局部破损露筋部位进行修补。根据连续梁和连续刚构桥受力特点及既有同类桥梁的病害特征，选择结构主要控制截面进行静载试验，了解测试截面在试验荷载下的应变分布及变形，同时针对结构病害进行专项测试，评定结构的工作状态和承载能力。10 在测试桥梁竖向位移影响线的基础上，采用刚度识别的确定桥梁实际刚度情况，按照桥梁实际状态进行建模分析计算，判断梁体结构实际承载能力能否满足设计要求，对结构目前工作状态进行综合评估。二、静载试验本次选取原左幅桥（开平至佛山方向）为试验桥跨，主要测试内容如下：1）承载能力测试。主要测试截面为边跨最大正弯矩截面（A截面）、墩顶最大负弯矩截面（B截面）和中跨最大正弯矩截面（C、D截面）。2）针对病害的专项测试E、F截面，专项测试主要针对腹板斜裂缝进行。3）刚度识别。主要通过截面影响线测试结果模拟计算结构的实际刚度分布情况。图1承载能力测试截面布置图连续梁静载试验结果显示：1）除绝对值较小点外，各截面应变和挠度卸载相对残余均小于20%，满足《评定规程》要求。2）各测试截面应变和挠度校验系数见表1所示，各参数指标均满足《评定规程》要求。3）斜裂缝测试结果显示，在最大级试验荷载作用下，裂缝最大扩展106×150mm＝0.016mm，裂缝扩展不大，且卸载后裂缝宽度能恢复到加载前状态。表1测试截面应变和挠度校验系数列表10 截面校验系数A截面B截面C截面D截面应变0.5970.6500.690/挠度0.526/0.5690.538注：A截面为100m跨最大正弯矩截面，C、D截面为160m跨中截面，B截面为墩顶负弯矩截面。三、刚度识别本次试验测试了结构影响线，主要是在主桥（50+100+160+160+100+50）连续梁的不同位置施加车辆荷载（3辆35T加载重车），测得主梁不同位置的竖向位移，通过不断修改有限元模型中的主梁抗弯刚度，使模型节点位移计算值逼近实测值，通过测得的竖向位移反算箱梁的实际抗弯刚度。主桥连续梁全桥共38个加载点，其中50m跨3个(4分点)、100m跨7个(八分点)、160m跨9个(十分点)。在对箱梁实际抗弯刚度模拟中，根据加载点位置将箱梁分成45个节段，在实际操作中将每段的EI作为整体进行修正，即每个梁段范围内截面刚度修正系数相同。加载点位置及梁段编号图2。10 图2加载点及梁段编号示意图当车辆加载于中跨（100m和160m跨）跨中附近时，主梁的竖向位移相对较大，刚度识别主要采用这些数据。按照设计图纸建立结构有限元模型，计算试验车辆荷载作用下的位移理论值，通过调整各梁段的抗弯刚度修正系数，使得有限元模型的计算结果尽量逼近上述所选择的实测值，通过不断模拟修正，有限元44个梁段的抗弯刚度修正值如表2所示，抗弯刚度修正前后理论值与实测值情况见表3。表2主梁梁段抗弯刚度修正系数梁段号修正系数梁段号修正系数梁段号修正系数梁段号修正系数1#1.512#1.3823#1.3634#1.472#1.5213#1.1524#1.4235#1.523#1.4414#1.225#1.4536#1.514#1.1515#1.2326#1.3937#1.55#1.2716#1.2527#1.5138#1.446#1.4317#1.3128#1.5539#1.57#1.3218#1.2729#1.4240#1.338#1.5519#1.230#1.541#1.3210 9#1.4620#1.3431#1.3742#1.3910#1.4221#1.2132#1.343#1.5211#1.2522#1.233#1.3544#1.57表3抗弯刚度修正前后理论值与实测值对比表轮位测点实测值修正前修正后计算值与实测比值计算值与实测比值5#6-9.1-11.51.26-8.60.955#7-6.8-10.31.51-7.61.125#8-5.5-7.81.42-5.71.046#6-11.2-14.71.31-10.80.966#7-10.2-13.91.36-10.21.006#8-7.6-10.71.41-7.81.037#6-10.8-13.81.28-10.10.947#7-8.9-14.21.60-10.31.167#8-8.1-11.41.41-8.31.0213#13-16.3-20.91.28-15.80.9713#14-21.6-251.16-18.90.8813#15-22.5-24.61.09-18.50.8213#16-15.6-20.41.31-15.40.9913#17-12.7-14.81.17-11.10.8714#13-18-25.11.39-18.91.0514#14-25.7-32.91.28-250.9710 14#15-27.1-34.21.26-26.30.9714#16-21.7-29.11.34-22.21.0214#17-16.7-21.41.28-16.30.9815#13-17.7-24.61.39-18.61.0515#14-25.4-34.31.35-26.11.0315#15-31.7-39.61.25-30.30.9615#16-26.4-35.91.36-27.51.0415#17-19.8-27.11.37-20.71.0516#13-14.8-20.41.38-15.41.0416#14-21.9-29.21.33-22.31.0216#15-27.1-361.33-27.61.0216#16-26.4-36.11.37-27.91.0616#17-20.2-28.71.42-22.21.10　　17#13-11.3-14.91.32-11.20.9917#14-17.5-21.51.23-16.40.9417#15-22.1-27.21.23-20.80.9417#16-19.5-28.81.48-22.21.1417#17-17.8-24.81.39-19.21.0822#22-15.9-24.91.57-191.1922#23-20.6-28.71.39-21.91.0622#24-21.4-27.11.27-20.50.9622#25-16-21.41.34-16.21.0110 23#22-19.8-28.81.45-21.71.1023#23-26.6-36.11.36-27.31.0323#24-28.1-35.91.28-27.20.9723#25-19.5-291.49-21.91.1224#22-16.3-27.11.66-20.61.2624#23-25.6-35.91.40-27.11.0624#24-27.5-39.51.44-29.51.0724#25-22.8-341.49-25.51.1225#22-13.9-21.51.55-16.31.1725#23-20.5-29.21.42-221.0725#24-24.4-34.11.40-25.61.0525#25-20.4-32.71.60-24.51.2031#31-7.1-10.11.42-7.41.0431#32-7.8-11.51.47-8.51.0931#33-7.9-10.71.35-8.11.0332#31-6.9-11.51.67-8.51.2332#32-9.7-14.21.46-10.51.0832#33-10-13.61.36-10.31.0333#31-6.8-10.71.57-8.11.1933#32-9.5-13.71.44-10.31.0833#33-9.5-14.41.52-10.91.15图3抗弯刚度修正系数分布图10 从以上图表分析可知：1）修正前位移计算值和实测值有较大的偏差，刚度修正后模型计算结果和实测值吻合情况较好。2）九江大桥主桥连续梁的抗弯刚度修正系数均大于1，主要由于铺装层和局部加固措施对刚度有提高效应。四、计算分析结构检算根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）以及《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)，分别对结构进行新、旧规范验算。采用桥梁博士软件对主桥进行结构检算。全桥共224个单元，225个结点，模拟施工过程模型共建立27个施工步骤，计算模型见图4。图4计算模型图通过对(50+100+160+160+100+50)m主桥连续梁左幅桥进行荷载试验及计算分析，结论如下：按85规范检算，结构各项指标均满足规范要求。按04规范检算：1）抗弯承载能力极限状态满足规范要求，抗剪承载能力极限状态验算显示墩顶附近和L/4附近截面不能规范满足要求。10 2）在短期效应组合下，除20#墩顶及26#墩顶梁体上缘拉应力较大（分别为3.58MP和3.12MPa），不满足04规范要求外，其它部位梁体混凝土法向拉应力均满足04规范要求。3）长期效应组合下，梁体各截面边缘混凝土法向拉应力满足04规范要求。4）标准组合下，梁体上缘最大压应力为20.49MPa，下缘最大压应力为15.71MPa。均不满足04规范要求。5）在短期效应组合下，除20#墩、21#墩、25#墩和26#墩顶附近梁体出现主拉应力且偏大外（3.16MPa），其它部位均满足04规范。在标准组合下，梁体最大主压应力为22.89MPa，不满足04规范要求。五、结论荷载试验结果表明该桥梁体受力基本能够满足公路I级荷载的正常使用要求。验算结果显示墩顶位置截面抗剪承载力不能满足要求，04规范下边墩、次边墩墩顶附近截面主拉应力不能满足规范要求，这与该桥斜裂缝位置有一定对应关系，本次荷载试验对斜裂缝测试结果显示跨裂缝测点应变值不大，且从近几年对该桥的检测报告分析，裂缝状态稳定也未继续发展，说明结构在目前的运营荷载下状态基本稳定。但值得注意的是，运营荷载的增大及超载车的作用可能会引起斜裂缝的发展，导致预应力损失和梁体下挠等附加病害出现。10 对出现病害的桥梁评估应根据桥梁维修加固及病害情况对结构的刚度进行修正。10'