橋梁荷載試驗(yàn)方案及承載能力評(píng)估

丁邦平

（安徽省安慶市公路管理局 直屬分局，安徽 安慶 246002）

0 引言

1 荷載試驗(yàn)的目的和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)的目的

橋梁荷載試驗(yàn)主要包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)是量測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的變形和內(nèi)力，將特定的荷載放置在橋梁的計(jì)算受力最不利、施工質(zhì)量比較差或結(jié)構(gòu)病害比較嚴(yán)重等特定斷面位置，測(cè)試橋梁的靜力位移、靜力應(yīng)變和裂縫等參數(shù)，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符。動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法激起橋梁的振動(dòng)，測(cè)定橋梁的固有頻率、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)等，從而判斷橋梁的動(dòng)力性能、整體剛度和行車性能等是否滿足規(guī)范要求，進(jìn)一步對(duì)橋梁的綜合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過荷載試驗(yàn)，計(jì)算和分析研究，對(duì)橋梁的安全狀態(tài)和施工質(zhì)量進(jìn)行一次檢驗(yàn)，確定橋梁的最終狀態(tài)，是對(duì)橋梁施工過程的一次全面有效地評(píng)價(jià)，為橋梁后期的養(yǎng)護(hù)以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等積累資料。

1.2 試驗(yàn)的方法

1.2.1 應(yīng)變測(cè)試方法

應(yīng)變測(cè)試采用振旋應(yīng)變計(jì)，在橋梁的施工過程中，在左右幅的跨中、V腿根部等關(guān)鍵截面均埋設(shè)了振旋應(yīng)變計(jì)；在施工過程中振旋應(yīng)變儀破壞比較多的箱式關(guān)鍵部位，采用電阻式應(yīng)變片和DH3815N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。

為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，在左右幅的墩臺(tái)及跨中橋面布置1米長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)金屬桿加千分表，測(cè)量靜載試驗(yàn)中的橋面應(yīng)變，與振旋、電阻應(yīng)變結(jié)果比較。

1.2.2 撓度測(cè)量方法

豎向位移測(cè)量采用精密水準(zhǔn)儀按二等工程水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行觀測(cè)。

本研究對(duì)患者靶區(qū)分別設(shè)計(jì)IMRT固定6野計(jì)劃、IMRT固定7野計(jì)劃和VMAT旋轉(zhuǎn)雙弧計(jì)劃的三種調(diào)強(qiáng)照射方式，通過DVH劑量體積直方圖從靶區(qū)劑量分布、劑量分布適形度和均勻性及心臟、肺及對(duì)側(cè)乳腺等危及器官受量方面與對(duì)三者進(jìn)行劑量學(xué)比較。研究發(fā)現(xiàn)盡管三種治療方式之間的靶區(qū)HI沒有差別，但是VMAT計(jì)劃方式的PTV靶區(qū)覆蓋適形度最高，且平均劑量明顯較6F、7F方式小。

1.2.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量方法

AZ－Cras動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，主要為橋梁的振動(dòng)、應(yīng)變、沖擊等信號(hào)采集，沖擊系數(shù)分析，環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)試驗(yàn)，以及可以選擇的應(yīng)變模態(tài)試驗(yàn)和橋梁撓度實(shí)時(shí)測(cè)量等。

靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)雖然在試驗(yàn)?zāi)康暮褪褂脙?nèi)容等方面不同，是兩種不同性質(zhì)的試驗(yàn)，但是對(duì)于全面掌握橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，進(jìn)一步對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有同等重要性。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 加載位置的確定

利用橋梁空間線形與非線性分析程序 MIDAS／CIVIL2006有限元程序建立全橋模型，全橋共劃分為390個(gè)單元，420個(gè)節(jié)點(diǎn) ，根據(jù)理論計(jì)算模型及彎距包絡(luò)圖加載。將計(jì)算結(jié)果與荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，施工質(zhì)量，判斷實(shí)橋承載力。

按照計(jì)算的橋梁活載作用下包絡(luò)圖制定加載方案，根據(jù)計(jì)算的橋梁彎矩包絡(luò)圖及實(shí)際加載車輛的結(jié)構(gòu)，確定了在邊跨跨中附近、主跨跨中附近對(duì)稱加載和偏載共4個(gè)工況，根據(jù)靜載試驗(yàn)荷載效應(yīng)及主梁控制界面的設(shè)計(jì)彎矩值，在試驗(yàn)中模擬相應(yīng)界面處設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)較大值的布載方式進(jìn)行加載，綜合考慮試驗(yàn)的方便及車輛的來源，采用10輛400KN的車輛進(jìn)行加載，加載車輛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1：

試驗(yàn)各工況下所需要的車輛數(shù)量，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的工況下的最不利效應(yīng)值按照荷載效應(yīng)系數(shù)換算得到，試驗(yàn)前對(duì)每輛車進(jìn)行配重，使加載車軸重量達(dá)到試驗(yàn)要求，且保證在試驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生明顯變化。

表1 加載車輛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

全橋分別選擇中跨跨中截面、邊跨跨中、合攏段等截面，同時(shí)在墩臺(tái)截面增加2個(gè)反彎點(diǎn)測(cè)試截面，在每個(gè)截面3個(gè)腹板位置各預(yù)埋3個(gè)振弦式傳感器進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于部分傳感被施工期間破壞的，在該界面箱室里面粘帖應(yīng)變片；同時(shí)在橋面利用千分表進(jìn)行測(cè)試，千分表布置在邊跨跨中和中跨跨中位置，每截面在外側(cè)腹板位置布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.3 靜載試驗(yàn)的評(píng)定及試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 靜載試驗(yàn)的評(píng)定方法

（1）實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的效驗(yàn)系數(shù)ξ，是撓度或應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值之比值，反映了結(jié)構(gòu)的施工工作狀態(tài)。

實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的效驗(yàn)系數(shù)是一個(gè)重要的評(píng)定指標(biāo)，判斷橋梁承載能力狀況，ξ!1時(shí)說明結(jié)構(gòu)計(jì)算偏于安全，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)越小，說明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越高。

（2）橫向偏載系數(shù)η，通過實(shí)測(cè)偏載作用下最大撓度或應(yīng)力和平均撓度或應(yīng)力的比值，反映了橋梁的抗扭能力。

n——下緣測(cè)點(diǎn)數(shù)

Smax——下緣測(cè)點(diǎn)對(duì)大撓度或應(yīng)力

Si——下緣各測(cè)點(diǎn)撓度或應(yīng)力值

偏載系數(shù)是衡量主梁抗扭能力的主要指標(biāo)，偏載系數(shù)越小，說明主梁的抗扭能力越強(qiáng)，整體性能好，承受不利偏載作用的能力強(qiáng)。

2.3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

靜載試驗(yàn)加載在嚴(yán)格按試驗(yàn)方案中擬定的加載程序分級(jí)加載。加載過程按車隊(duì)列分級(jí)加載，橫向先施加橋中心的車輛，后施加外側(cè)的車輛。在某一工況完成加載和測(cè)試工作后，根據(jù)下一工況的加載情況，增加或減少車輛。

限于篇幅，靜載試驗(yàn)的工況多，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)未一一列出，通過對(duì)各試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)分析，邊跨對(duì)稱加載各截面的應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)ξ為0.5～0.88，撓度效驗(yàn)系數(shù)η為0.57～0.8；中跨對(duì)稱加載各截面的應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)ξ為0.5～0.84，撓度效驗(yàn)系數(shù)η為0.51～0.78；中跨偏載加載各截面的應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)ξ為0.5～0.82，撓度效驗(yàn)系數(shù)η為0.3～0.84；邊跨偏載加載各截面的應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)ξ為0.2～0.92，撓度效驗(yàn)系數(shù)η為0.37～0.94，各工況效驗(yàn)系數(shù)均小于1，橋梁外觀結(jié)構(gòu)檢查無裂縫出現(xiàn)。說明橋梁在靜載各工況均處于彈性工作范圍內(nèi)，具備設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的在于研究大橋的整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，以判斷橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況和橋梁的實(shí)際承載能力。在進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于汽車荷載需要計(jì)入沖擊系數(shù)（1＋μ），沖擊系數(shù)是一個(gè)綜合性動(dòng)力參數(shù)，影響因素比較多，如車輛的振動(dòng)頻率、橋梁結(jié)構(gòu)的基頻、橋梁不平整程度和車輛通過橋面的速度等。

3.1 試驗(yàn)工況

動(dòng)力荷載試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容主要包括：無障礙行車動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試和有障礙行車響應(yīng)測(cè)試。通常通過行車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)等進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）行車試驗(yàn)：試驗(yàn)使用30噸重車分別以車速20km／h、30km／h、40km／h和60km／h勻速通過橋梁結(jié)構(gòu)，利用速度傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)豎向速度時(shí)程曲線，積分求的結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移時(shí)程曲線，以測(cè)得橋梁在正常行車條件下的實(shí)際沖擊系數(shù)平均值。

（2）剎車試驗(yàn)：試驗(yàn)時(shí)采用一輛試驗(yàn)車以30km／h的速度勻速行駛至中跨跨中斷面時(shí)實(shí)施緊急剎車，使其產(chǎn)生較大的制動(dòng)力并對(duì)橋梁形成一定的沖擊作用，測(cè)定跨中截面測(cè)點(diǎn)的豎向振幅響應(yīng)。

（3）跳車試驗(yàn)：在橋梁跨中設(shè)置高度為7cm的障礙物，模擬橋面鋪裝的局部不平整或損傷狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)采用一輛試驗(yàn)車分別以20km／h、30km／h的速度勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，在跨越障礙物時(shí)對(duì)橋梁形成沖擊作用，激起橋梁較大的豎向振動(dòng)，測(cè)定橋梁在橋面不良狀態(tài)下運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.2 動(dòng)載各工況試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)以上各工況模態(tài)分析結(jié)果分析（篇幅所限，各工況時(shí)程曲線未列出），結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率均高于理論值，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算結(jié)果較吻合，跑車試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在1.03～1.10之間與理論值1.05（1＋μ）吻合程度較好，試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)該大橋的靜、動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)，表明該V腿剛構(gòu)橋在靜、動(dòng)載工況下，最不利截面的應(yīng)力、各關(guān)鍵部位及結(jié)構(gòu)整體特征的實(shí)測(cè)值與理論值能夠較好地吻合，左右幅應(yīng)力效驗(yàn)系數(shù)多數(shù)為0.6～0.8之間，最大為0.92；位移效驗(yàn)系數(shù)多為0.6～0.8之間，最大值為0.94。試驗(yàn)加載過程中，主要截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、位移和抗裂性能均滿足規(guī)范要求，表明該大橋結(jié)構(gòu)的承載能力、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足抗裂設(shè)計(jì)荷載正常使用要求，整個(gè)主橋的承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用要求。