龍王渡大橋荷載試驗(yàn)方法研究

賈 山 鄧子軍

(1.成都市交通發(fā)展研究院，成都 610042;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

橋梁荷載試驗(yàn)是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的一個(gè)重要手段，人們通過(guò)對(duì)公路橋梁實(shí)施靜、動(dòng)載試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)新建橋梁設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，為新建橋梁結(jié)構(gòu)交(竣)工驗(yàn)收和質(zhì)量評(píng)定提供科學(xué)依據(jù)。隨著我國(guó)公路橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，特別是大跨度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的橋梁不斷涌現(xiàn)，利用橋梁荷載試驗(yàn)對(duì)這些橋梁進(jìn)行一個(gè)科學(xué)的檢驗(yàn)和評(píng)估就顯得尤為必要［1］。本文以成都市新津縣龍王渡大橋?yàn)槔?，介紹了常見的預(yù)制拼裝橋梁荷載試驗(yàn)的方法及試驗(yàn)結(jié)果分析。

1 龍王渡大橋工程概況簡(jiǎn)介

龍王渡大橋平面位于直線上，中心樁號(hào)為K0 +674.5，橋梁分兩幅設(shè)置，上部構(gòu)造采用25 ×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)，全橋共分7聯(lián)，橋長(zhǎng)632m;下部構(gòu)造橋墩采用圓柱式橋墩配樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)配樁基礎(chǔ)。

上部結(jié)構(gòu)單幅T 梁橫斷面由2 片邊梁和5 片中梁組成，邊梁預(yù)制寬度為1.95m，中梁預(yù)制寬度1.8m，濕接縫寬度0.64m，梁長(zhǎng)為29.94m。T 梁梁底為平坡，梁頂橫坡為2%。

下部結(jié)構(gòu)橋墩蓋梁采用鋼筋混凝土蓋梁，蓋梁高度2.2m，寬1.9m;墩身直徑1.6m;系梁寬1.2m，高1.6m;樁基直徑1.8m，按摩擦樁設(shè)計(jì);橋臺(tái)為輕型橋臺(tái)配樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載:公路－ Ⅰ級(jí);設(shè)計(jì)洪水頻率:1/100;橋面寬度:與路基同寬;橋面鋪裝:上面層采用4cm 厚SBS 改性瀝青馬蹄脂SMA－13，下面層采用6cm 厚中粒式瀝青混凝土AC－20C;設(shè)計(jì)安全等級(jí):二級(jí);地震動(dòng)峰值加速度:0.1g，抗震設(shè)防烈度等級(jí)為7 級(jí)，抗震設(shè)防措施等級(jí)為8 級(jí);環(huán)境類別:Ⅰ類。

2 橋梁荷載試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)對(duì)龍王渡大橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢測(cè)控制截面應(yīng)力、撓度、抗裂性能等指標(biāo)［2］，通過(guò)靜、動(dòng)載試驗(yàn)，檢驗(yàn)試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力、結(jié)構(gòu)變形及正常使用狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求，并考察橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng);分析橋梁結(jié)構(gòu)的整體變形規(guī)律，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況，為橋梁日后的運(yùn)營(yíng)及管理提供技術(shù)資料［3］。

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)試驗(yàn)橋跨進(jìn)行加載試驗(yàn)，檢測(cè)橋跨在最不利荷載作用下的效應(yīng)，主要內(nèi)容包括:

1)應(yīng)力測(cè)試

控制截面應(yīng)力采用應(yīng)變片和應(yīng)變儀檢測(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，根據(jù)材料的彈性模量換算測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。沿應(yīng)力控制截面橫向布置數(shù)個(gè)測(cè)點(diǎn)，以檢測(cè)應(yīng)力橫向分布規(guī)律。

2)擾度測(cè)試

采用精密水準(zhǔn)儀檢測(cè)6#墩～7#墩間跨控制截面處的撓度，測(cè)試分辨率為± 0.1mm(估讀到0.01mm)，以檢測(cè)最大撓度和撓度橫向分布規(guī)律。

3)裂縫觀測(cè)

加載之前，對(duì)測(cè)試截面附近區(qū)域進(jìn)行裂縫觀測(cè);加載期間，采用肉眼觀測(cè)有無(wú)新增裂縫的產(chǎn)生。

4)動(dòng)力試驗(yàn)

a.主梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力特性檢測(cè)。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力(自振)特性測(cè)定試驗(yàn)采用脈動(dòng)激勵(lì)和跑車試驗(yàn)。在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋梁附近無(wú)其它振源的情況下，測(cè)定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)激勵(lì)而引起的微幅振動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)動(dòng)力特性試驗(yàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行采集記錄，通過(guò)時(shí)域波形分析、數(shù)字濾波、頻譜分析等手段識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振頻率［4］。

b.跑車試驗(yàn)

在橋梁無(wú)障礙的情況下，采用1 臺(tái)三軸重車居中勻速通過(guò)橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)。跑車試驗(yàn)的車速為5～50km/h。采用應(yīng)變計(jì)測(cè)定控制截面的動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)，記錄信號(hào)并計(jì)算相應(yīng)的沖擊系數(shù)，荷載沖擊系數(shù)根據(jù)控制截面測(cè)點(diǎn)在跑車試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理而得，按下式計(jì)算:

式中:Smax——?jiǎng)虞d作用下該測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變值;Smean——相應(yīng)的靜載作用下該測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變值，其值可由動(dòng)應(yīng)變曲線求得:Smin 為與Smax 相應(yīng)的最小應(yīng)變值。

c.剎車試驗(yàn)

采用試驗(yàn)加載車輛居中勻速行駛，并在指定位置緊急剎車，通過(guò)測(cè)定控制截面的振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)變，考察橋梁在車輛制動(dòng)力作用下的動(dòng)力響應(yīng)。剎車試驗(yàn)部位在跨中截面。

2.3 控制截面及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)試驗(yàn)橋梁的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，龍王渡大橋選取第七跨(即6#墩～7#墩間跨)左幅進(jìn)行荷載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)應(yīng)力、撓度控制截面各設(shè)1 個(gè)，均為跨中最大正彎矩(I—I)截面，測(cè)點(diǎn)布置見圖1。動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)主要布置在L/2 截面，振動(dòng)設(shè)置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，縱向動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況見圖3。

2.4 靜載試驗(yàn)荷載及加載工況

1)設(shè)計(jì)控制內(nèi)力

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60－2004)的規(guī)定，以橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路－Ⅰ級(jí)計(jì)算，汽車荷載+人群荷載作為橋梁控制荷載，其中汽車荷載按規(guī)范計(jì)入沖擊效應(yīng)［5］。

2)試驗(yàn)荷載

以設(shè)計(jì)正常使用荷載作為加載控制，按控制截面內(nèi)力等效原則進(jìn)行布載，并使控制截面試驗(yàn)荷載效率滿足檢測(cè)規(guī)程的要求。試驗(yàn)中采用6 臺(tái)三軸重車進(jìn)行等效布載。

3)試驗(yàn)工況及荷載效率

根據(jù)控制截面彎矩影響線并考慮橫向分布進(jìn)行等效布置，正式加載前對(duì)試驗(yàn)跨進(jìn)行了預(yù)載，正式加載工況共計(jì)2 個(gè)，試驗(yàn)荷載效率見表1。各工況加載車輛布置見圖2，圖中尺寸單位為m。

表1 試驗(yàn)荷載效率

2.5 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置和加載工況

對(duì)龍王渡大橋分別進(jìn)行了5 種車速的跑車、1個(gè)部位的剎車和脈動(dòng)等動(dòng)力試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)布置見圖3。采用1 臺(tái)重車居中進(jìn)行無(wú)障礙跑車試驗(yàn)，最高車速為50km/h。剎車試驗(yàn)采用一臺(tái)重車居中30km/h勻速行駛，并在跨中截面緊急剎車。

3 橋梁荷載結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

1)控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)龍王渡大橋進(jìn)行2 個(gè)工況的加載試驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁的應(yīng)力測(cè)試主要通過(guò)在其梁底布置應(yīng)變片，采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)混凝土的應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果，按單軸應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律換算得到?？刂平孛娴膿隙炔捎镁芩疁?zhǔn)儀檢測(cè)，試驗(yàn)荷載作用下，各主要測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和撓度檢測(cè)結(jié)果見表2。

2)與理論計(jì)算值的對(duì)比

根據(jù)計(jì)算撓度及撓度實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算各控制測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變形，以檢驗(yàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度及變形規(guī)律與設(shè)計(jì)狀態(tài)的符合程度。試驗(yàn)荷載作用下，控制測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值的比較見表3。

圖1 I－I 截面應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

圖2 Ⅰ－Ⅰ截面最大正彎矩上游側(cè)和下游側(cè)偏載工況加載車輛平面布置

圖3 動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置立面圖

為分析試驗(yàn)荷載作用下跨中截面的整體工作狀況和變形規(guī)律，將實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力繪制成圖5 所示混凝土應(yīng)力橫向分布曲線，將各測(cè)點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)結(jié)果繪制成如圖4 所示的橫向分布曲線，并與理論分布曲線進(jìn)行比較。

3)靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下，各工況下測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于其對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值，偏載作用下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.61～0.76。主要控制測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形小于檢測(cè)規(guī)范的限值，測(cè)試結(jié)果規(guī)律正常，表明所測(cè)橋跨橫向分布正常，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿載設(shè)計(jì)要求。各工況實(shí)測(cè)撓度均小于對(duì)應(yīng)理論計(jì)算值，偏載作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)范圍為0.66～0.79。卸載后相對(duì)殘余變形均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，表明所測(cè)橋跨剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 試驗(yàn)跨測(cè)點(diǎn)撓度(mm)和測(cè)點(diǎn)應(yīng)變(με)

表3 試驗(yàn)跨撓度、應(yīng)力與計(jì)算撓度、應(yīng)力的比較

圖4 I－I 截面最大正彎矩上游側(cè)、下游側(cè)偏載工況I－I 撓度橫向分布

圖5 I－I 截面最大正彎矩上、下游側(cè)偏載加載工況I－I 應(yīng)力橫向分布

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

(1)跑車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果，見表4。剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果見圖7。

表4 動(dòng)力試驗(yàn)工況及不同車速下跑車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

(2)動(dòng)力特性

a.振型計(jì)算結(jié)果

采用FINITE 有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，圖6 為龍王渡大橋豎向彎曲計(jì)算振型。

b.動(dòng)力特性實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)跑車余振、脈動(dòng)信號(hào)分析處理，識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振頻率及阻尼比。試驗(yàn)橋跨主梁動(dòng)力特性實(shí)測(cè)結(jié)果匯總見表5。

表5 試驗(yàn)橋跨主梁自振頻率特性檢測(cè)結(jié)果

c.剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)(見圖7)

d.動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

·試驗(yàn)橋跨實(shí)測(cè)豎向自振頻率與計(jì)算值基本相當(dāng)，基頻實(shí)測(cè)值為5.957 Hz，計(jì)算頻率值為5.663 Hz，實(shí)測(cè)阻尼比為2.08%，屬于小阻尼振動(dòng)，表明橋梁實(shí)測(cè)剛度大于設(shè)計(jì)剛度，滿足設(shè)計(jì)要求。

·5km/h～50km/h 跑車試驗(yàn)，I－I 截面的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)介于1.033～1.275 之間，檢測(cè)結(jié)果表明，汽車動(dòng)荷載對(duì)測(cè)試截面的沖擊效應(yīng)與車速有明顯的相關(guān)性，在50km/h 車速時(shí)，其沖擊系數(shù)最大(應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù))較規(guī)范取值基本相當(dāng)［6］。

·從剎車試驗(yàn)工況下控制截面的動(dòng)力響應(yīng)圖中可以看出，緊急剎車會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力不利，因此應(yīng)盡可能減少在橋梁上的緊急剎車制動(dòng)。

圖6 龍王渡大橋一階豎向彎曲變形(f1=5.663Hz)

圖7 30 km/h 車速下剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從靜載試驗(yàn)及動(dòng)載測(cè)試結(jié)果表明:龍王渡大橋測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(公路－Ⅰ級(jí))的正常使用要求，荷載試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。

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［2］甚潤(rùn)水 胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)［M］.北京:人民交通出版社.2001.

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［5］JTGD60－2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

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