吳海軍，袁光杰，屈浩然，王慶珍，劉東雙

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶 401120；3. 重慶市公路局，重慶 401147；4. 重慶沙坪壩交通實業(yè)總公司，重慶 400030)

0 引 言

在役中小跨橋梁在荷載長期作用[1]、環(huán)境侵蝕、材料老化等不利因素的共同作用下，將不可避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和抗力衰減。如何保證數(shù)量龐大的中小跨梁橋運營安全，是橋梁管養(yǎng)部門面臨的重要難題[2]。為彌補橋梁傳統(tǒng)檢查方法不足，受近年來大跨度橋梁安全監(jiān)測實踐的影響，安全監(jiān)測在中小跨混凝土梁橋中的應(yīng)用也越來越多。但是，國內(nèi)外關(guān)于橋梁監(jiān)測的科學(xué)研究、技術(shù)規(guī)范和工程實踐主要集中在特大跨徑橋梁領(lǐng)域，對中小跨徑橋梁安全與安全監(jiān)測實踐及經(jīng)驗還較少。中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)無論從經(jīng)濟性還是適用性上來說，都不宜直接照搬大跨徑安全監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)理論和實踐經(jīng)驗。

鑒于中小跨梁橋與大跨徑梁橋在安全監(jiān)測系統(tǒng)上的差異，筆者將從橋梁活載效應(yīng)占比這一角度出發(fā)，研究中小橋的恒活載比例關(guān)系，并通過與大跨徑梁橋恒活載比例進行對比，為中小橋安全監(jiān)測分析方法的選擇提供相關(guān)依據(jù)。

1 中小跨混凝土梁橋恒活載效應(yīng)

由于中小跨混凝土梁橋其截面形式較多、設(shè)計理論及設(shè)計荷載的演變較頻繁[3-5]，筆者從設(shè)計理念、設(shè)計荷載、截面形式這3個方面來探討中小橋的恒活載比例關(guān)系。

1.1 基于2008版通用圖公路Ⅱ級設(shè)計的中小橋恒活載效應(yīng)

為研究基于2008版通用圖公路Ⅱ級設(shè)計的中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取我國應(yīng)用廣泛的先張法部分預(yù)應(yīng)力空心板[4](1 m寬單板)，跨徑分別為10、13、16、20 m；T梁選取橋?qū)?.5 m，跨徑分別為20、25、30、35 m，按兩車道布置，具體斷面參考文獻[6]。

將文獻[7]中要求的汽車荷載以最不利方式作用在樣本橋梁上，以橫向最不利的板(梁)作為研究對象建立有限元模型。由于篇幅限制，筆者將選取代表性強的中板(梁)模型來建模。

基于有限元計算模型，提取樣本橋梁在跨中位置的恒、活載彎矩值，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計時正常使用及承載力計算時的荷載組合情況，分別計算在標(biāo)準(zhǔn)作用組合、承載能力極限組合下活載效應(yīng)占恒活載總效應(yīng)的比例，分別記為η1及η2，具體計算如式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：φ11、φ12分別為標(biāo)準(zhǔn)組合時活、恒載效應(yīng)對應(yīng)系數(shù)(φ11=φ12=1.0)；φ21、φ22分別為承載能力極限組合時活、恒載效應(yīng)對應(yīng)系數(shù)(φ21=1.4，φ22=1.2)；MQ1為跨中由活載(汽車荷載)產(chǎn)生的彎矩值；MG為跨中由恒載產(chǎn)生的彎矩值；μ為汽車荷載沖擊系數(shù)。

根據(jù)上述恒活載效應(yīng)計算方法，計算樣本橋梁活載占比，結(jié)果如圖1。

圖1 不同跨徑空心板橋和不同跨徑T梁的活載效應(yīng)占比Fig. 1 The ratio of live-load effect of hollow slab bridges and T-beams with different spans

由圖1(a)可知：對于10、13、16、20 m這4種不同跨徑的簡支空心板橋，活載效應(yīng)占比隨跨徑增大而逐步減小，近似呈線性關(guān)系。對于10～20 m的跨徑空心板橋有：η1=37.82%～55.22%；η2=47.38%～67.39%。

由圖1(b)可知：對于20、25、30、35m這4種不同跨度簡支T梁，活載效應(yīng)占比也隨跨徑增大而逐步減小，呈近似線性關(guān)系。對于20～35 m跨徑T梁：η1=33.34%～46.53%；η2=41.10%～57.82%。

綜上所述，不同組合下空心板、T梁活載占比均很高，且隨跨徑增大而逐步減小。

1.2 基于2008版通用圖公路Ⅰ級設(shè)計的中小橋恒活載效應(yīng)

為探討基于2008版通用圖公路Ⅰ級設(shè)計的中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，空心板選取跨徑為10、13、16、20 m，T梁選取跨徑為20、25、30、35、40 m，橋?qū)捑?1.25、12.00、12.75 m這3種；小箱梁選取橋?qū)挒?2 m，跨徑為20、25、30、35、40 m，按兩車道布置，具體斷面圖見文獻[6]。

鑒于文獻[8]中公路 Ⅰ 級荷載作用在04規(guī)范通用圖上基本都能滿足承載能力要求，同時考慮到文獻[6]中公路 Ⅰ 級標(biāo)準(zhǔn)所建造的大量橋梁在新規(guī)范實施后仍會長期使用，筆者分別計算04、15兩種橋涵通用規(guī)范下公路 Ⅰ 級荷載效應(yīng)值，其結(jié)果如圖2～4。

圖2 不同跨徑空心板η值Fig. 2 η of hollow slab with different spans

圖3 不同跨徑T梁η值Fig. 3 η of T-beams with different spans

圖4 不同跨徑小箱梁的活載效應(yīng)占比Fig. 4 The ratio of live-load effect of small box girder withdifferent spans

由圖2可知：對于10、13、16、20 m這4種不同跨徑簡支空心板橋，活載效應(yīng)占比隨跨徑增大而逐步減小。筆者以11.25 m橋?qū)挒槔?，基?4規(guī)范，計算跨徑為10～20 m的空心板橋，η1=28.30%～45.88%，η2=37.22%～58.62%；基于15規(guī)范，η1=31.75%～52.90%，η2=41.12%～65.24%。以15規(guī)范為例，相同跨徑不同橋?qū)挼目招陌鍢?，?差別均在1%以內(nèi)。

由圖3可得：對于20、25、30、35、40 m這5種不同跨徑下的簡支T梁，活載占比隨跨徑增大而逐步減小。以11.25 m橋?qū)挒槔?，基?4規(guī)范，計算的跨徑為20～40 m的T梁，η1=27.14%～39.39%，η2=34.37%～50.56%；基于15規(guī)范，η1=27.99%～43.41%，η2=35.33%～54.78%。以15規(guī)范為例，相同跨徑不同橋?qū)挼腡梁，η1差別都在0.38%以內(nèi)。

綜上，活載效應(yīng)占比主要與跨徑有關(guān)，橋面寬度對活載占比影響很小。

由圖4可知：對于20、25、30、35、40 m這5種不同跨徑下的小箱梁，活載占比也隨跨徑增大而逐步減小。基于04規(guī)范，計算跨徑為20～40 m的小箱梁，η1=21.72%～31.19%，η2=27.02%～40.69%；基于15規(guī)范，η1=22.36%～34.73%，η2=27.76%～44.61%。

1.3 不同截面形式中小橋恒活載效應(yīng)

為分析不同截面形式中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取上述橋?qū)挒?2 m的空心板、T梁與小箱梁在各跨徑下的活載占比數(shù)據(jù)，分別比較04、15規(guī)范下不同截面形式橋梁η1關(guān)系，結(jié)果如圖5。

圖5 04、15規(guī)范各跨徑橋梁的活載占比Fig. 5 04 and 15 codes for the ratio of live-load of bridges with different spans

由圖5可知：相同跨徑下空心板、T梁、小箱梁活載占比存在明顯差異，且在04、15規(guī)范下規(guī)律幾乎相同。以15規(guī)范為例，跨徑為20 m空心板、T梁、小箱梁，η1分別為31.19%、43.62%、34.73%；相同跨徑下，T梁活載占比最大，小箱梁次之，空心板最小?？招陌迮c小箱梁活載占比較為接近，且都小于T梁十個百分點以上。

1.4 不同時期中小橋恒活載效應(yīng)

對于研究不同時期中小橋恒活載效應(yīng)比例關(guān)系，筆者選取了成渝高速公路上單跨跨徑為10、13、16 m的空心板簡支梁橋進行恒活載比研究，對同類橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計有很好參考意義，具體參數(shù)如表1，斷面如圖6。另外選取上述基于2008版通用圖公路Ⅰ、Ⅱ級設(shè)計的橋?qū)挿謩e為8.50、11.25 m，跨徑均為10、13、16 m空心板活載占比數(shù)據(jù)。

表1 成渝高速代表性中小跨橋梁Table 1 Chengdu-Chongqing expressway representative small and medium span bridges

圖6 斷面示意(單位:cm)Fig. 6 Sectional view

基于上述已經(jīng)論證了相同跨徑、不同橋?qū)挼目招陌鍢蚧钶d占比差別在1%以內(nèi)，這里將忽略由樣本橋梁在橋?qū)掃x取上不一致的影響。

根據(jù)上述恒活載效應(yīng)計算方法，筆者計算了樣本橋梁的活載占比，結(jié)果如圖7。由圖7可知：隨著設(shè)計規(guī)范和設(shè)計荷載等級的更新及設(shè)計理念變化，相同跨徑空心板梁活載效應(yīng)占比逐步降低。從基于舊通用規(guī)范設(shè)計時期到2008版通用圖公路Ⅱ級設(shè)計時期，各跨徑空心板梁的活載占比平均下降約7.5%；從基于2008版通用圖公路Ⅱ級設(shè)計時期到公路Ⅰ級時期，各跨徑空心板梁活載占比平均下降約6%。究其原因，這主要是由于車輛增多、車重增加，在橋梁設(shè)計中對結(jié)構(gòu)安全度要求越來越高，其結(jié)構(gòu)截面及重量越來越大，恒載占比不斷提高，進而使得活載占比不斷降低。

圖7 不同時期中小橋的活載占比(空心板)Fig. 7 Live-load ratio of small and medium bridges indifferent periods (hollow slab)

表2 典型大跨徑橋梁的活載效應(yīng)占比Table 2 The ratio of live-load effect of typical long-span bridges

2 大跨徑混凝土梁橋恒活載效應(yīng)

為分析大跨徑梁橋及中小跨梁橋活載效應(yīng)占比差異，筆者選取了幾座具有代表性的連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，其主跨分別為80、100、120、180、230 m，其計算結(jié)果如表2。由表2可知：對于大跨徑連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，由于跨徑大，活載效應(yīng)占比較中小橋明顯下降，η1均在10%左右。

3 活載效應(yīng)比例對安全監(jiān)測影響

中小跨梁橋在活載響應(yīng)比例上明顯大于大跨徑梁橋，因為活載比例不同，活載及超載對結(jié)構(gòu)安全性及損傷影響程度大不相同。大跨徑梁橋活載效應(yīng)占比約為10%，恒載占比在90%左右，活載及超載占比較小，對結(jié)構(gòu)影響也較小。由于恒載效應(yīng)占絕大多數(shù)，大跨徑梁橋由結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的恒載效應(yīng)的變化量相對較為顯著。因此，對于大跨度梁橋用恒載效應(yīng)的變化量來評估橋梁的安全狀態(tài)[9-10]較為可靠，目前已有不少大跨徑梁橋基于此進行了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)評估。

中小跨徑梁橋活載效應(yīng)占比可達50%左右，其恒載效應(yīng)相對較小，一旦出現(xiàn)明顯活載超載，其結(jié)構(gòu)承受活載比例將顯著增加，結(jié)構(gòu)運行期間活載監(jiān)測值也將較大，因此引起的安全風(fēng)險也明顯較大跨徑梁橋高。若采用恒載狀態(tài)變化來評判中小橋，在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害時，恒載作用下監(jiān)測值變化不明顯。對于中小跨梁橋，即使有些結(jié)構(gòu)在活載作用下出現(xiàn)開裂等損傷，但在量值較大活載卸除后的自重狀態(tài)(占比較小)下，結(jié)構(gòu)往往仍處于良好狀態(tài)，因此基于恒載效應(yīng)下監(jiān)測量值變化不能有效對中小跨梁橋安全狀態(tài)進行準(zhǔn)確評估。而基于活載響應(yīng)[11]監(jiān)測值對中小橋進行安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評判，由于其活載占比較大、量值較高，對健康監(jiān)測及分析評價均更具有效性。

綜上可知：中小跨梁橋與大跨徑梁橋在活載效應(yīng)比例差異會明顯影響基于活載、恒載響應(yīng)進行安全監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警及評判方法選擇。中小跨梁橋安全監(jiān)測不宜直接采用目前常用于大跨徑橋梁基于恒載狀態(tài)下監(jiān)測值變化來評價橋梁狀態(tài)的方法，應(yīng)采用基于活載響應(yīng)監(jiān)測值進行運營期安全狀態(tài)評估。

4 結(jié) 論

筆者選取多座常見的中小跨混凝土梁橋和大跨徑混凝土梁橋進行恒活載比例研究，通過計算和對比分析，得到如下結(jié)論：

1)常見的中小跨徑混凝土梁橋活載效應(yīng)占比很高，可達50%左右，且隨跨徑增大而逐步減??；

2)相同跨徑不同橋?qū)捴行】缁炷梁喼Я簶?，其活載占比差別很小，在1%以內(nèi)；

3)相同跨徑不同截面形式中小跨梁橋活載占比存在明顯差異，T梁活載占比最大，小箱梁次之，空心板最小。其中：空心板與小箱梁活載占比較為接近，且都小于T梁十個百分點以上；

4)不同時期、相同跨徑的中小橋活載占比隨著規(guī)范更新、設(shè)計荷載等級更新及設(shè)計理念變化而減小。這主要是由于隨著車輛增多、車重增加，橋梁設(shè)計中對結(jié)構(gòu)安全度要求越來越高，結(jié)構(gòu)截面及重量越來越大，恒載占比不斷提高，進而使得活載占比不斷降低；

5)常見的大跨徑混凝土梁橋由于跨徑大，活載效應(yīng)占比較中小橋明顯下降，其活載占比均在10%左右，恒載效應(yīng)約為90%；

6)中小跨梁橋宜采用基于活載響應(yīng)監(jiān)測值進行運營期安全狀態(tài)評估。