基于荷載試驗(yàn)的三跨簡(jiǎn)支斜橋承載能力研究

賈毅++廖平++王永寶++趙人達(dá)

摘要：為了解某寬跨比較大的三跨簡(jiǎn)支斜橋在正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的安全性和不利狀態(tài)下的承載力，基于試驗(yàn)方法研究了在偏載和中載等不利荷載工況下的主梁應(yīng)力和變形。通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)、無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)研究了該橋的自振頻率、不同行車速度下的變形響應(yīng)及跳車試驗(yàn)下的沖擊作用，將測(cè)試結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：跨中截面中載為最不利荷載工況，在不利荷載工況下，實(shí)測(cè)應(yīng)變和撓度均小于計(jì)算值，主梁變形和混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；當(dāng)行車速度在30 km·h-1以內(nèi)跑車試驗(yàn)時(shí)，各跨沖擊系數(shù)為1.094～1.192；當(dāng)行車速度為10 km·h-1跳車試驗(yàn)時(shí)，各跨沖擊系數(shù)為1.147～1.195；該橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度具有一定的富裕度，能較好地滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況。

關(guān)鍵詞：荷載試驗(yàn)；簡(jiǎn)支斜橋；效率系數(shù)；自振特性；校驗(yàn)系數(shù)；承載能力

中圖分類號(hào)：TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Bearing Capacity of Threespan Simply Supported

Skew Bridge Based on Load TestJIA Yi， LIAO Ping， WANG Yongbao， ZHAO Renda

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， Sichuan， China）Abstract： In order to understand the security under normal operation state and the carrying capacity under adverse conditions of a threespan simply supported skew bridge with large widthspan ratio， the stress and deformation of the main beam under the condition of unbalance load and medium load were studied based on the test method. The natural vibration frequency， deformation response under different diving speeds and the impact action of bridge under vehicle jump test were studied through pulse test， barrierfree driving test and obstacle driving test， and the test results were compared with the finite element results. The results show that the midspan section under medium load is the most unfavorable load condition. The measured values of strain and deflection are less than the calculated values under the unfavorable load conditions， and the deformation of the main beam and the stress of concrete both meet the requirements of the specification. When the speed is within 30 km·h-1 in barrierfree driving test， the impact coefficients of each span are 1.094 to 1.192. When the speed is 10 km·h-1 in obstacle driving test， the impact coefficients of each span are 1.147 to 1.195. The structural strength and stiffness of the bridge are rich， which can meet the actual operating conditions well.

Key words： load test； simply supported skew bridge； efficiency coefficient； natural vibration characteristic； calibration coefficient； carrying capacity

0引言

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益增長(zhǎng)，公路交通事業(yè)得到迅猛發(fā)展，橋梁工程又是公路交通的咽喉，其使用功能的好壞直接影響整條線路的暢通。由于中國(guó)許多早年建成的橋梁其設(shè)計(jì)荷載等級(jí)偏低，并且絕大多數(shù)橋梁未進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，受運(yùn)營(yíng)荷載影響，許多橋梁已出現(xiàn)各種病害和損傷，迫切需要對(duì)這些橋梁進(jìn)行承載能力評(píng)定，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全和滿足耐久性要求[13]。

現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)是評(píng)定橋梁承載能力的主要技術(shù)手段之一，即通過(guò)在實(shí)際結(jié)構(gòu)上采用與設(shè)計(jì)荷載等效的試驗(yàn)荷載進(jìn)行加載，測(cè)試橋梁各主要受力構(gòu)件的作用效應(yīng)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而推定結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備和可靠度[4]。目前中國(guó)學(xué)者和工程師對(duì)橋梁進(jìn)行了大量的荷載試驗(yàn)與理論研究，并取得了一定的研究成果[511]，但是對(duì)多跨簡(jiǎn)支斜橋的荷載試驗(yàn)研究較為欠缺。斜橋相對(duì)直橋而言其受力更為復(fù)雜，并且其數(shù)量在中國(guó)中小跨徑橋梁中占有一定的比例，因此開(kāi)展簡(jiǎn)支斜橋荷載試驗(yàn)研究具有重大的理論價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

本文以曲靖市南寧北路的白石江橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)對(duì)該橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，測(cè)試簡(jiǎn)支斜橋在靜載、動(dòng)載下的性能參數(shù)，分析其實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，綜合評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)安全性，為橋梁荷載試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范的編制提供一定數(shù)據(jù)儲(chǔ)備和理論依據(jù)。

1工程概況

白石江橋位于曲靖市南寧北路，橋梁上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)制空心板斜橋，每跨由26片空心板組成，斜交角為45°。下部結(jié)構(gòu)為框架式柱型橋墩，兩端為重力式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋全長(zhǎng)為39.4 m，梁高0.76 m，橋面寬度為4.8 m（人行道）+19.4 m（橋面凈寬）+4.8 m（人行道），橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土和5 cm厚素混凝土，采用坡度為2%的雙向橫坡，雙向4車道，橋梁設(shè)計(jì)荷載為城市A級(jí)。橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)立面和空心板橫截面如圖1所示，其中，L為每跨計(jì)算跨徑。圖1橋梁結(jié)構(gòu)示意（單位：cm）

2橋梁荷載試驗(yàn)方案

2.1橋梁靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是通過(guò)施加靜力荷載檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)主要受力部位在最大（最?。﹥?nèi)力狀態(tài)下的應(yīng)力和變形[1215]。試驗(yàn)加載位置一般選取結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面，并且按照內(nèi)力等效的原則確定試驗(yàn)荷載的大小和加載位置，使結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面內(nèi)力在試驗(yàn)荷載作用下與設(shè)計(jì)荷載作用下近似相等，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)在各試驗(yàn)工況下處于安全狀態(tài)[1618]。橋梁靜載試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變、撓度、卸載后的殘余應(yīng)變以及殘余變形，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中還應(yīng)觀察有無(wú)新裂縫的產(chǎn)生以及是否有異常的振動(dòng)、聲響等其他異常現(xiàn)象。本文靜載試驗(yàn)采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3819靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集橋梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)變，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變采集系統(tǒng)如圖2所示。靜載試驗(yàn)采用裝載后總質(zhì)量為30 t的雙橋自卸車作為試驗(yàn)加載車輛，現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)車如圖3所示。

2.2橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)等參數(shù)的試驗(yàn)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度有無(wú)降低和運(yùn)營(yíng)性能是否安全[1922]。本文橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)、無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)3個(gè)試驗(yàn)。

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的基本特征，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析所必需的參數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，如結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布、支撐情況和材料性質(zhì)等，而與荷載等其他條件無(wú)關(guān)[23]，本文橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)獲得，采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH105壓電式加速度傳感器。

無(wú)障礙行車試驗(yàn)用于測(cè)試橋面鋪裝層完好時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，模擬正常行駛狀態(tài)。本文試驗(yàn)采用1輛30 t的貨車分別以10，20，30 km·h-1的速度通過(guò)橋梁，采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH5908動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)采集橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

有障礙行車試驗(yàn)?zāi)M橋面鋪裝局部損傷情況下橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變反應(yīng)。采用寬度30 cm、高度7 cm的弓形障礙物模擬橋面坑洼行車，障礙物布置在跨中等結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)顯著的部位。用1輛30 t的貨車以20 km·h-1的速度通過(guò)橋梁，測(cè)試并計(jì)算橋梁的實(shí)際沖擊系數(shù)。

2.3控制截面及加載工況

為了滿足橋梁承載力評(píng)定的要求，測(cè)試截面選擇時(shí)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，按照最不利受力原則選定[12]。為全面評(píng)定該橋承載能力狀況并結(jié)合該橋?qū)嶋H情況，選取每跨跨中截面作為應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試截面，每跨L/4，L/2，3L/4處的截面作為撓度測(cè)試截面，并確定了6個(gè)加載工況，每個(gè)工況均在跨中截面進(jìn)行加載，見(jiàn)表1。為確保試驗(yàn)安全進(jìn)行，上述加載采用分級(jí)加載方式進(jìn)行，每級(jí)荷載為2輛試驗(yàn)車，卸載工況按加載的反方向進(jìn)行，直至全部卸載完畢。工況1和工況2車輛加載布置如圖4，5所示，工況3～6車輛加載布置與工況1和工況2類似。

2.4測(cè)點(diǎn)布置

為測(cè)試該橋在試驗(yàn)荷載作用下關(guān)鍵部位的撓度，全橋共布置了45個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，每跨布置15個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。在L/4截面、跨中截面和3L/4截面分別布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。利用徠卡DNA03型電子水準(zhǔn)儀配合銦鋼條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺測(cè)試橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的撓度，測(cè)試精度為±0.1 mm。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于空心板跨中位置板底混凝土上，在每跨的4#～23#板底分別設(shè)置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，為了消除混凝土開(kāi)裂以及其他試驗(yàn)因素對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響，在每個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱橋向平行粘貼3個(gè)應(yīng)變片，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)應(yīng)變片的平均值作為該應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。障礙行車試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置方式、位置與無(wú)障礙行車試驗(yàn)相同。

為測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)時(shí)的加速度時(shí)程曲線，在每跨橋面上支座、L/4、跨中、3L/4位置布設(shè)1個(gè)加速度傳感器，每跨共設(shè)置5個(gè)加速度傳感器。該橋三跨均需進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)，且每跨加速度傳感器布置位置一樣。

2.5荷載試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)開(kāi)始前，先將部分試驗(yàn)車布置在試驗(yàn)跨的橋面跨中位置附近進(jìn)行預(yù)加載。為保證試驗(yàn)安全，避免過(guò)載引起橋梁損壞，試驗(yàn)車輛采取分級(jí)加載，待車輛產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度在理論估算范圍之內(nèi)后再進(jìn)行下一級(jí)加載。橋梁荷載試驗(yàn)采取中斷交通夜間測(cè)試的形式，本文荷載試驗(yàn)共采用4輛加載車，荷載試驗(yàn)流程見(jiàn)表2。

表2荷載試驗(yàn)流程

Tab.2Procedure of Load Test加載順序試驗(yàn)跨加載形式工況編號(hào)荷載分級(jí)1第1跨靜載11級(jí)（偏載）2第1跨靜載22級(jí)（中載）3第2跨靜載31級(jí)（偏載）4第2跨靜載42級(jí)（中載）5第3跨靜載51級(jí)（偏載）6第3跨靜載62級(jí)（中載）7第1～3跨動(dòng)載無(wú)障礙行車3級(jí)（雙向）8第1～3跨動(dòng)載有障礙行車1級(jí)（雙向）9第1～3跨動(dòng)載脈動(dòng)試驗(yàn)3理論計(jì)算

3.1計(jì)算模型

采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立該橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ停髁翰捎昧簡(jiǎn)卧M(jìn)行模擬，空心板橫向聯(lián)系鉸縫采用鉸剛接模擬，支座采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬，全橋基于空間梁格理論進(jìn)行建模分析。按照相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，考慮橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載情況，對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行核算，主要是試驗(yàn)荷載作用下的荷載效率系數(shù)，并按影響線確定試驗(yàn)荷載的大小和位置[1517]，計(jì)算試驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)試截面的應(yīng)力（應(yīng)變）、豎向位移等，并將其作為試驗(yàn)的期望值，這樣可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常情況[4]。橋梁有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

3.2靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

以設(shè)計(jì)荷載作用下截面最不利的控制內(nèi)力作為加載控制依據(jù)，按照控制內(nèi)力等效的原則，通過(guò)試算確定加載車輛的數(shù)量和加載位置，使控制截面的試驗(yàn)荷載效率系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)程的要求，對(duì)于承載能力鑒定性荷載試驗(yàn)，荷載效率系數(shù)ηq宜介于0.95～1.05之間[12]。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)加載車輛進(jìn)行過(guò)磅稱重。靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)ηq按下式計(jì)算

ηq=SstatS（1+μ）（1）

式中：Sstat為靜力試驗(yàn)荷載作用下某加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變形最大計(jì)算效應(yīng)值；S為控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或變形最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范選取的沖擊系數(shù)[12]。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)活載與試驗(yàn)加載的計(jì)算結(jié)果得到靜載試驗(yàn)效率系數(shù)，計(jì)算過(guò)程中分別提取每跨13#空心板ⅠⅠ，ⅡⅡ，ⅢⅢ控制截面的彎矩值，從而可得到該橋靜載荷載效率系數(shù)為0.976～0.983，介于0.95～1.05范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求[12]。荷載效率系數(shù)如表3所示，試驗(yàn)荷載和標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下13#空心板的彎矩圖如圖7，8所示，通過(guò)彎矩圖可以得到荷載作用下最大彎矩值和相應(yīng)的極值截面。

4荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1撓度測(cè)試結(jié)果

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的撓度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行初步分析可知，撓度測(cè)試最不利情況是在每跨滿載時(shí)，因此僅對(duì)工況2，4，6下?lián)隙葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。靜載試驗(yàn)工況2，4，6下各跨撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果、撓度校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變形如圖9～11所示。

4.2應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行初步分析可知，應(yīng)變測(cè)試最不利情況為每跨中載時(shí)，因此僅對(duì)工況2，4，6下應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在靜載試驗(yàn)工況2，4，6下各跨控制截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余應(yīng)變?nèi)鐖D12～14所示。

4.3自振特性和沖擊系數(shù)

根據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)原理測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的加速度時(shí)程曲線，經(jīng)頻譜分析處理后得到橋梁的固有頻率為8.781 Hz，通過(guò)有限元軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)理論基本頻率為9.032 Hz。對(duì)汽車荷載激振作用下的橋梁振動(dòng)衰減曲線進(jìn)行計(jì)算分析，可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算該橋阻尼比為0.783。表4給出了各跨跑車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)下沖擊系數(shù)測(cè)試值。從表4中可以看出：當(dāng)行車速度在30 km·h-1以內(nèi)跑車試驗(yàn)時(shí)，各跨沖擊系數(shù)范圍為1.094～1.192；當(dāng)行車速度為10 km·h-1跳車試驗(yàn)時(shí)，各跨沖擊系數(shù)范圍為1.147～1.195。跑車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)下該橋的沖擊系數(shù)測(cè)試值均小于1.2，滿足規(guī)范相關(guān)要求。5結(jié)語(yǔ)

（1）橋跨結(jié)構(gòu)的撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.70～0.90之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)未超出規(guī)范值1.0，表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度具有一定的富裕度，結(jié)構(gòu)實(shí)際工作性能良好。橋跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.71～0.93之間，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)未超出規(guī)范值1.0，表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有一定的富裕度，結(jié)構(gòu)實(shí)際工作性能較好。

表4各跨沖擊系數(shù)測(cè)試值

Tab.4Test Values of Impact Coefficient for Each Span試驗(yàn)跨試驗(yàn)工況行車速度/（km·h-1）沖擊系數(shù)第1跨跑車試驗(yàn)101.121201.132跑車試驗(yàn)301.166101.186第2跨均勻跑車試驗(yàn)101.167201.181跳車試驗(yàn)301.192101.195第3跨均勻跑車試驗(yàn)101.094201.102跳車試驗(yàn)301.136101.147（2）各工況卸載后相對(duì)殘余變形和應(yīng)變最大值分別為10.5%，9.8%，均未超出規(guī)范限值20%的規(guī)定，表明該橋在試驗(yàn)荷載下無(wú)較大不可恢復(fù)變形。

（3）該橋自振測(cè)試結(jié)果顯示，其第1階豎向頻率為8.781 Hz，阻尼比為0.783，跑車試驗(yàn)下沖擊系數(shù)為1.094～1.192，跳車試驗(yàn)下沖擊系數(shù)為1.147～1.195。測(cè)試模態(tài)與理論模態(tài)吻合較好，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的整體剛度，各跨沖擊系數(shù)均小于1.2，說(shuō)明該橋橋面鋪裝完整、平順，行車舒適。

（4）綜合分析可知，橋跨結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的承載能力滿足城A荷載等級(jí)的要求。參考文獻(xiàn)：

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