大跨度連續(xù)梁橋動靜載試驗及結構評定

黃 力， 石雪飛， 徐 亮

( 同濟大學 橋梁工程系，上海 200092)

為了全面地檢驗大橋的設計、施工質量，也為了更好地了解結構體系在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)和受力特性，在大橋開通之前必須對其進行生產鑒定性質的現場竣工靜動載試驗，為科學地評價本橋結構的強度、剛度、承載能力和結構的整體工作性能等提供第一手資料，同時也為評價工程的施工質量、設計的可靠性和合理性以及大橋的竣工驗收提供可靠的依據。

1 項目概述

大橋區(qū)地貌隸屬于長江三角洲沖積平原，主橋上部結構為(49 +85 +54) m 變高度預應力砼連續(xù)箱梁，采用單箱單室截面，單箱底寬8．25 m，兩側懸臂長3．75 m，全寬15．75 m ，中支點處箱梁中心梁高5．2 m，跨中箱梁中心梁高2．4 m，梁高按1．8 次拋物線變化。大橋總體布置見圖1。上部結構采用懸臂澆筑施工方法。

圖1 大橋總體布置圖(單位:cm)

2 有限元計算分析

大橋采用橋梁博士3．0 進行平面桿系模型計算，橋梁博士模型共計46 個單元，47 個節(jié)點。同時采用大型通用有限元軟件ANSYS 建立空間桿系模型，采用beam188 單元模擬主梁，全橋共410 個單元，計算全橋在汽車偏載作用的偏載系數及橋梁結構一階自振頻率。圖2 為橋梁博士模型，圖3 為ANSYS 模型。

圖2 大橋橋梁博士模型

利用大型有限元軟件對該橋梁進行整體靜力與動力分析。根據彎矩、軸力、剪力等影響線包絡圖，確定全橋關鍵截面及加載工況，由關鍵截面的影響線確定全橋荷載布置范圍與大?。?］。

3 靜載試驗

3．1 測點布置

根據全橋彎矩影響線包絡圖可知，主橋邊跨最大正彎矩控制截面距離跨度較大側邊墩29．5m 處(1號截面) ，中跨最大正彎矩控制截面在其跨中截面(2 號截面) ;支點附近最大負彎矩選擇左邊跨側距主墩中心間距為5 m 截面(3 號截面) ，見圖4 所示。

圖3 大橋ANSYS 模型

圖4 主梁應變與撓度測量截面(單位:cm)

根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》建議的靜力試驗荷載效率及控制斷面的設計彎矩值，考慮加載車輛的特性，建議選用汽車-20 級重車，車輛總重300 kN。規(guī)范規(guī)定的此類車輛的輪、軸距和軸重如下:中后軸距140 cm;前中軸距400 cm;后輪距180 cm;前軸重60 kN;中后軸重240 kN;總重300 kN。

本橋荷載試驗采用荷載效應等效的原則，對應1 ～3 種工況采用如圖5 ～圖7 所示的加載形式，即用7 ～14 輛載重30 t 汽車對本橋按指定位置進行加載。

圖5 截面1 加載示意圖(單位:mm)

圖6 截面2 加載示意圖(單位:mm)

圖7 截面3 加載示意圖(單位:mm)

主梁應力監(jiān)測點布置共計5 個截面，其中1、2、4、5 截面布置7 個應變片測點，3 號截面布置5 個應變片測點，如圖8 所示。另外，在3 號截面左右腹板處各布置1 個應變測點，監(jiān)測腹板主應力變化。由于全橋剛度較大，在靜載試驗過程中，整體變形較小，為消除測量誤差，選取撓度較大的1、2、3 號截面為撓度監(jiān)測斷面，橫向各布置兩個測點。

圖8 靜載試驗應力與撓度測點布置圖(單位:cm)

3．2 靜載試驗加載工況

根據各控制截面最大彎矩影響線，確定汽車荷載加載范圍與大小。實際加載車輛數按照等效荷載法確定。為考慮橫向偏載對全橋靜動力影響，選擇了6 種最不利荷載工況［2］，試驗工況如表1。

表1 試驗荷載效應與公路-Ⅰ級荷載效應對應表

3．3 靜載試驗結果數據分析

3．3．1 撓度試驗結果

正式加載試驗前，用兩輛試驗重車對大橋進行預加載。正式加載試驗時要求分級加載，分級加載原則上分成25%、50%、100%3 級。加載過程中進行變形、應變、裂縫觀測。撓度測量使用高精度徠卡全站儀。各工況撓度測量數據見表2，圖9 為工況5 撓度對比圖。由于篇幅文字限制，只列出部分工況數據。從表2 可見，主橋各控制截面的撓曲變形實測值與計算值結果的變化規(guī)律一致，絕大多數實測值小于計算值，其撓度校驗系數大多在0．50 ～0．95 之間不等，說明結構實際剛度大于計算剛度。另外，在高精度全站儀測量下，量測的結構殘余變形非常小，說明在試驗過程中結構處于彈性工作狀態(tài)。

圖9 工況五撓度對比圖

3．3．2 應力試驗結果

通過靜態(tài)應變采集儀采集1-5 號截面箱內壁應片計的應變值。根據校驗系數的定義，對各斷面各工況靜載試驗數據處理，計算應力校驗系數，計算結果見表3 所示。

由表3 可知，各截面頂板與底板應變值均小于計算值，其校驗系數大多數在0．4 ～1．0 之間，說明實際結構剛度大于設計計算剛度。

表2 表3 工況1、3、5(中載)撓度試驗結果

表3 右幅橋工況5 各斷面應力結果

4 動載試驗

橋梁結構在移動的車輛荷載作用下會產生振動，車輛過橋時，橋梁過大的振動一方面會引起乘客的不舒適感，另一方面會帶來人們心理上的不安全感，所以橋梁的動載試驗是對橋梁結構動力性能進行分析的又一項重要內容。動載試驗的內容包括:①汽車荷載的沖擊系數; ②主橋結構的動力特性。在動載試驗中主要進行跑車試驗、剎車試驗和跳車試驗，將試驗結果和計算結果對比，分析全橋動力特性與響應。

根據結構的振型特點，測點拾振器布置在1 號和2 號截面。控制截面上動應變計測點和拾振器測點布置見圖10 ，891-II 型拾振器在振動測點圖示各測點均布置2 個垂直振動測點和2 個水平振動測點［3］。

圖10 動載試驗動應片與振動測點布置圖

4．1 跑車試驗結果

一輛30 t 重車分別以10、20、30、40、50 km/h 的車速駛過橋面，記錄所有測點的動應變和動位移時程信號。圖11 為車速50 km/h 時中跨底板動應力時程圖。由結果可知各監(jiān)控測點的動應力均較小，其動態(tài)增量在0．03 ～0．14 范圍，沖擊系數的平均值在1 + μ =1．07 左右。

圖11 車速50 km/h-中跨底板動應力時程圖

4．2 跳車試驗

一輛30 t 重車分別以10 km/h、20 km/h 車速駛過設有人工障礙物( 模擬橋面坑洼) ，記錄所有測點的動應變和動位移峰值。由表4( 測試工況T-1，一輛車10 km/h—跳車，實測速度11 km/h) 可知在跳車情況下，其沖擊系數的平均值為1．11。

表4 車速10 km/h 跳車試驗最大動應變與沖擊系數

4．3 剎車試驗

一輛30 t 重車分別以10 km/h、20 km/h 車速分別在主橋跨中、邊跨處剎車，記錄所有測點的動應變和動位移峰值。圖12 為車速20 km/h 時，中跨底板動應力時程圖。

圖12 車速20 km/h-中跨底板動應力時程圖

4．4 自振頻率

利用跑車余振、跳車激振試驗對橋梁的豎向和橫向自由振動波形進行功率譜分析即可得到橋梁的豎向和橫向自振頻率，如表5 所示。

本橋實測豎向一階自振頻率1．55 Hz，橫向自振頻率一階0．8 Hz，用三維空間模型ANSYS 程序計算得到橋梁的豎向自振頻率為一階1．12 Hz。自振頻率實測值大于計算結果，這同樣說明結構的實際豎向剛度比計算值大，結構動力性能良好［4］。

表5 跑車、跳車、剎車試驗橋梁自振頻率

5 結語

通過對泰州某大跨度預應力混凝土連續(xù)梁橋的動、靜載荷載試驗，可以得到以下基本結論:靜載試驗作用下，主橋各控制截面的撓度和應力實測值與計算結果的變化規(guī)律一致，且實測值較小于計算值，撓度校驗系數在0．50 ～0．9 之間，應力校驗系數在0．3 ～0．8 之間，滿足規(guī)范要求。說明結構實際剛度和強度大于計算剛度和強度［2］。

在高精度全站儀測量下，量測的結構殘余變形非常小，說明在試驗過程中結構處于彈性工作狀態(tài)。

根據實測結果的對比可知，偏心加載時的扭轉效應并不明顯，說明主橋上部結構箱梁具有很大的抗扭剛度。

橋梁一階自振頻率實測值大于計算結果，說明結構的實際豎向剛度比計算值大，結構的動力性能良好。

［1］趙林岑．某繞城公路(36 +2 56 +36) m 連續(xù)梁橋靜動載試驗研究［J］．公路工程，2011，36(2) :150-153．

［2］宋一凡．公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［3］張蔚偉．大跨度連續(xù)梁橋的荷載試驗及性能評定［J］．河南建材，2011(4) :120-122．

［4］中交公路規(guī)劃設計院．JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］． 北京:人民交通出版社，2004．