施橋運河大橋荷載試驗分析與承載力評定

孔繁龍

（揚州市航道管理處 揚州 225003）

為了保證新建橋梁成橋后的正常運營，有必要通過橋梁現(xiàn)場荷載試驗對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行直接測試，以此確定橋梁的實際承載能力。橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗［1－3］。

1 施橋運河大橋工程概況

施橋運河大橋主橋為132m預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，采用剛性系桿剛性拱，計算跨徑L＝128.66m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1／5，矢高25.732m；拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為12m，橫向布置為0.5m（護欄）＋1m（人行道）＋9m（車行道）＋1m（人行道）＋0.5m（護欄）。設(shè)計荷載為公路－II級，人群荷載為3.0kN／m2。大橋立面布置見圖1。為了檢驗成橋后橋梁的承載能力是否滿足正常使用狀況的要求以及評估實際結(jié)構(gòu)的動力性能，對全橋展開荷載試驗分析。

圖1 施橋運河大橋立面布置圖（單位：cm）

2 荷載試驗實施方案設(shè)計

2.1 計算方法和有限元模型

該橋橫向設(shè)計為2個行車道，設(shè)計荷載等級為公路－II級、人群荷載3.0kN／m2。利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas／Civil對該橋進行結(jié)構(gòu)計算分析。在設(shè)計荷載作用下主橋的彎矩包絡(luò)值見圖2，根據(jù)活載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖以及現(xiàn)場可操作平臺最終確定各控制截面具體位置見圖3。

圖2 設(shè)計荷載作用下彎矩包絡(luò)圖

圖3 測試截面位置示意圖（單位：m）

各測試截面的具體測試內(nèi)容見表1。

表1 各測試截面測試項目表

2.2 靜載試驗方案

靜載試驗采用30t三軸載重汽車進行加載進行等效加載，為保證試驗效果，試驗荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗效率系數(shù)ηd進行控制，ηd要求在0.95～1.05之間，各截面荷載效率系數(shù)見表2。

靜載試驗效率為

式中：Ss為靜載試驗荷載作用下控制截面的內(nèi)力計算值；S為控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

應(yīng)力、撓度測點布置見圖4、圖5。由于橋梁的測試工況較多，文中僅選取3／4跨截面進行分析，加載示意圖見圖6、圖7。

圖4 應(yīng)力測點布置示意圖

圖5 撓度測點布置示意圖

圖6 工況1車輛平面加載圖（單位：cm）

圖7 工況2車輛平面加載圖（單位：cm）

各荷載工況的荷載效率系數(shù)見表2。

表2 各截面荷載效率系數(shù)計算表

2.3 動載試驗方案

動載試驗包括車輛激勵試驗和自振特性測試試驗2部分。

車輛激勵試驗的測試截面選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大的截面8－8處，布設(shè)KD4001工具式動應(yīng)變計，見圖8，采用DRA－107A數(shù)字動態(tài)應(yīng)變測試儀對跑車、剎車、跳車分別進行測試數(shù)據(jù)采集。車輛激勵試驗加載車型同靜動試驗。但由于多輛車無法做到對橋同步激勵，所以試驗時選擇1輛車進行激勵試驗。

圖8 動應(yīng)變測試傳感器布置圖

采取脈動法進行自振測試，使用國家地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)891－II速度傳感器作拾振器，布設(shè)在橋面兩側(cè)，見圖9。放大裝置采用與之匹配的DLF－8型四合一放大器，采集器采用東方所INV306DF智能信號采集處理分析儀，整個測試系統(tǒng)見圖10。

圖9 脈動試驗傳感器布置示意圖（單位：cm）

圖10 脈動試驗測試系統(tǒng)組成框圖

采用DASP軟件分析系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行譜分析，根據(jù)相關(guān)自相關(guān)譜、互相關(guān)譜、各點相位及相干系數(shù)確定各階頻率。結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)用阻尼比Dn表示為：

式中：fn為第n階頻率；Δf為第n階半功率帶寬頻率。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 靜載試驗

結(jié)構(gòu)性能評定根據(jù)如下：①按施工圖進行計算得到的理論檢算值；②按規(guī)范規(guī)定的撓度、強度和裂縫容許值。從校驗系數(shù)、實測值和理論值的關(guān)系曲線、相對殘余變位（或應(yīng)力）、結(jié)構(gòu)剛度要求等4個方面來對該橋進行評定，見圖11，12，表3，4。

圖11 試驗荷載作用下截面撓度圖

圖12 試驗荷載作用下腹板應(yīng)力圖

表3 試驗荷載作用下測點相對殘余變形表

表4 工況2荷載作用下關(guān)鍵截面應(yīng)力分析表

由圖11、圖12，表3、表4可知：

（1）在試驗荷載作用下，各控制截面撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

（2）在試驗荷載作用下，控制截面的關(guān)鍵測點應(yīng)力值均小于理論值，應(yīng)力校驗系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

（3）位移測試控制截面量測的相對殘余變形均在《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》［4］要求的20%范圍以內(nèi)，表明卸載之后結(jié)構(gòu)的變形能夠及時恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 動載試驗

脈動測試時，分次采集的各測點速度信號，典型測點時程波形曲線和自功率譜見圖13～圖16。

圖13 1號測點時程波形曲線

圖14 1號測點自功率譜

圖15 6號測點時程波形曲線

圖16 6號測點自功率譜

根據(jù)各測點時域波形圖，通過DASP軟件分析系統(tǒng)進行傳函分析和模態(tài)擬合，得出主橋的自振頻率和阻尼比見表5。

表5 振特性實測值與理論計算值對比表

部分典型動應(yīng)變時程曲線實測圖見圖17，各工況下實測動力放大系數(shù)結(jié)果見表6。

圖17 激勵試驗下測點應(yīng)變時域波形圖

表6 車輛激勵試驗結(jié)果匯總

由圖13～圖17，表5、表6數(shù)據(jù)可知：

（1）由模態(tài)試驗基頻和理論計算值對比可以看出，試驗橋跨自振頻率實測值略大于計算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計要求。

（2）本次試驗橋梁一階頻率實測值為0.78 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)可作為今后檢查的一個參考指標(biāo)。

（3）在勻速跑車作用下，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。

4 結(jié)語

荷載試驗結(jié)果表明，施橋運河大橋主橋受力性能和正常使用狀態(tài)承載能力滿足公路－II級荷載等級的使用要求。

［1］崔國宏，沈東強，高 麗，等.新保安大橋成橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2007（8）：5－7.

［2］韓 艷，陳政清.茅草街大橋動力特性有限元模擬與分析［J］.公路，2003（3）：66－70.

［3］李運生，張博慶，張彥玲.鋼管混凝土拱橋空間自振特性的分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1997，10（4）：21－25.

［4］JTG／TJ21－2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.