大跨度連續(xù)梁橋的荷載試驗及性能評定

張蔚偉

1 同濟大學(xué)橋梁工程系（200092） 2 淮安市政設(shè)計院有限公司（223000）

橋梁荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)進行直接加載測試的一項科學(xué)試驗工作,其目的是通過荷載試驗，了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài),從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，評價營運質(zhì)量[1～3]。對新建橋梁進行荷載試驗不但可以準確評定橋梁的承載能力，而且是對設(shè)計與施工的驗證，為以后的橋梁設(shè)計與施工積累一定的資料。

本文結(jié)合南通市某新建城市橋梁大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的荷載試驗,詳細闡述了荷載試驗內(nèi)容及其橋梁承載力評定。該橋主橋采用雙幅分離式（50+80+50）m單箱雙室度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，底寬11.5 m，兩側(cè)懸臂長2.75 m，橋面寬17.0m，中支點處梁高 4.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高及底板厚按二次拋物線變化。橋梁立面布置及橫斷面見圖1、圖2。該橋荷載試驗的工作內(nèi)容包含了試驗方案設(shè)計、靜載動載試驗。

圖1 橋梁立面布置圖(單位:cm)

圖2 主橋橫截面圖(單位:cm)

1 試驗方案設(shè)計

試驗設(shè)計方案前，需要對橋梁的現(xiàn)狀進行調(diào)查與檢測，獲取橋梁的實際幾何參數(shù)，以準確模擬試驗加載計算。主要包括橋跨結(jié)構(gòu)線形和結(jié)構(gòu)外觀主要缺陷和病害調(diào)查。

1.1 靜載試驗方案

靜載試驗的關(guān)鍵是準確的試驗加載模擬計算。本文首先用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil對該橋進行結(jié)構(gòu)計算分析。建立的全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

根據(jù)試驗加載模擬計算,確定主橋各測試控制截面,如圖4所示。

圖4主橋測試控制截面

各測試截面的具體測試內(nèi)容即測試工況如下表1所示。

表1 各測試截面測試工況表

1）測點布置

應(yīng)力測試采用穩(wěn)定性好、精度高適于野外環(huán)境的表面振弦式應(yīng)變計，其測點布置見圖5所示(腹板測點距上翼緣和底板各 5 cm)。

圖 5 主橋1-1、3-3截面應(yīng)力測點布置圖

主梁豎向撓度，擬通過在箱梁底面布置棱鏡，采用徠卡2003全站儀進行三角高程測量，在底板外側(cè)布置2個測點，如圖5的點3、5所示。

2）加載車輛

車輛的加載方式包括了縱向加載布置和橫向加載布置。選用的車型按照規(guī)范[4,5]，靜載試驗采用30 t車進行等效加載，車型如圖6所示。

圖6 加載車型圖(單位:cm)

3）車輛橫向布置方式

車輛加載的橫向布置方式,除負彎矩加載工況只采用對稱加載外,其正彎矩加載工況均采用對稱和偏載兩種加載工況。

4）車輛縱向布置方式

車輛的縱向布置方式按照計算各工況最不利的情況進行加載，以主橋工況3(3-3截面)縱向加載為例，車輛縱向加載如圖7所示。

圖7 主橋工況3(3-3截面)縱向加載示意圖(單位:m)

1.2 動載試驗方案

1）自振特性測試

通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力學(xué)特征。

2）車輛激振試驗

車輛激勵試驗工作內(nèi)容包括行車試驗、剎車試驗和跳車試驗。測試截面選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)受力最大的位置，本橋動應(yīng)變傳感器布置在主橋跨中箱梁底面。

2 試驗結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)性能評定根據(jù)如下:①施工圖進行計算得到的理論檢算值；②規(guī)范規(guī)定的撓度、強度和裂縫容許值[2,3]。本項目主要評定項目為:

1）校驗系數(shù)

校驗系數(shù):評定結(jié)構(gòu)工作狀況，確定橋梁承載能力的重要指標。其計算可統(tǒng)一采用:

η=實測值/理論值

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，一般認為當1.0≥η≥0.6時[4]，可反映結(jié)構(gòu)的控制截面在擬定荷載等級作用下工作性能良好。此時，結(jié)構(gòu)既有一定的安全儲備，且試驗方案設(shè)計合理，加載適中。

2）實測值和理論值關(guān)系曲線

結(jié)構(gòu)計算時假定材料處于線彈性工作狀態(tài)。如果測點實測值與理論計算值成正比，其關(guān)系曲線接近直線，說明結(jié)構(gòu)處于良好彈性工作狀況。

3）相對殘余應(yīng)變

正常運營的橋梁應(yīng)無殘余撓度，若出現(xiàn)殘余撓度，說明橋梁受到嚴重損傷或某處截面進入彈塑性。測點在控制荷載工況作用下的相對殘余變位Sp/St越小，說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。

4）結(jié)構(gòu)剛度要求

試驗荷載作用下，主要測點撓度校驗系數(shù)η應(yīng)不大于1。各測點撓度應(yīng)不超過規(guī)范規(guī)定允許值[6]。

3 靜載試驗結(jié)果分析

3.1 撓度試驗結(jié)果分析

限于篇幅,列出工況1和3下左右幅主橋撓度分析結(jié)果。

相對殘余變形分析也以主橋為例,在各試驗工況荷載作用下實測與分析，見表2所示。

表2 各工況下測點相對殘余變形表

從表2中所計算的相對殘余變形可以看出,在試驗荷載作用下，各測試斷面卸載后其相對殘余變形較小，均在文獻[6]規(guī)定的20%以內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

各控制截面的撓度實測值如下表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出:

1）各撓度控制截面在試驗荷載作用下實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)小于1.0，且處于常值范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計要求。

表3 城北大橋靜載試驗撓度測試結(jié)果分析表（單位:mm）

2）各撓度控制截面的實測值遠小于規(guī)范規(guī)定的L/600，表明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，滿足規(guī)范要求。

3）各工況偏載作用下，底板兩側(cè)的撓度變化不明顯，結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

3.2 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析僅以左車道左幅主橋腹板工況1對稱加載情況下為例，其實測值和理論值比較分析如圖8所示。

圖8 左幅主車道主橋工況1對稱加載下兩側(cè)腹板應(yīng)力分布圖

通過應(yīng)力實測值與理論值的分析，可得出如下結(jié)論:

1）各控制截面在試驗荷載作用下應(yīng)力實測值均小于理論計算值，其應(yīng)力校驗系數(shù)小于1.0，且處于常值范圍內(nèi)，這表明其強度滿足設(shè)計要求。

2）在試驗荷載對稱和偏載作用下，箱梁腹板上沿高度的應(yīng)變基本呈線性分布，符合平截面假定，表明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)處于線彈性工作狀態(tài)。

4 動載試驗結(jié)果分析

根據(jù)以往對橋梁結(jié)構(gòu)自振特性測試的實踐,本次試驗采用環(huán)境隨機振動法。拾振儀采用國家地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)的891－Ⅱ速度型傳感器。由采集的各測點時域波形圖，通過傳函分析和模態(tài)擬合，可得出橋梁的自振頻率和阻尼比如表4所示。

表4 自振特性實測值與理論計算值對比表

1）實測自振頻率值均略大于計算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計要求。

2）左幅主道橋主橋和左幅輔道橋主橋一階自振頻率實測值分別為1.514 Hz和1.465 Hz,由于自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，因此該特征參數(shù)可作為今后定期檢查的一個參考指標。

3）在不同速度勻速跑車作用下，各測點的動應(yīng)變測試數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，在剎車和跨越障礙作用下，動應(yīng)變測試數(shù)據(jù)增長較小，表明實際動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

5 結(jié)論

通過對城北大橋大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的靜載試驗與動載試驗及其結(jié)果評定分析的闡述得出以下結(jié)論:

1）在試驗荷載作用下?lián)隙葘崪y值均小于理論計算值,其撓度校驗系數(shù)小于1.0，應(yīng)力校驗系數(shù)也小于1.0且且控制截面撓度實測值小于規(guī)范規(guī)定的L/600，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計要求。

2）橋梁相對殘余變形較小，說明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度能夠恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

3）偏載作用下，底板兩側(cè)的撓度較對稱加載稍變化較小，偏載效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)抗扭剛度好。

4）實測一階自振頻率值均略大于計算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計要求。該參數(shù)可作為今后定期檢查的一個參考指標。

[1]章關(guān)永.橋梁結(jié)構(gòu)試驗[M].人民交通出版社,2002.

[2]宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定[M].2002.

[3]長安大學(xué)編.公路橋梁承載能力評定規(guī)程[S].2007.

[4]CJJ11－1993,城市橋梁設(shè)計準則[S],1993.

[5]CJJ77－1998,城市橋梁設(shè)計荷載標準[S].1993.

[6]交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京:1982,10.