江蘇某橋梁動靜態(tài)檢測與荷載試驗研究

陳金春 徐陳棟 張森 張巖 朱子

摘 要：以江蘇省某橋梁受損加固東邊跨的承載能力為研究對象，對橋梁進行了動靜態(tài)檢測和荷載試驗，主要測試分析了橋梁在靜態(tài)荷載作用下的應力應變和撓度變形，以及在動態(tài)荷載作用下的自振頻率、阻尼比和應變增大系數(shù)。測試結(jié)果表明橋梁測試截面的應變、撓度校驗系數(shù)均能滿足設計荷載正常使用的要求；橋梁一階豎向自振頻率實測值分別為2.26～3.13Hz，平均結(jié)構(gòu)自振頻率試驗值大于計算值，表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度；一階豎向振型的阻尼比為0.01～0.05，處于正常范圍0.01～0.08之間。

關鍵詞：橋梁檢測；應力應變；撓度；自振頻率；阻尼比

中圖分類號：TU378.02 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0040-02

Abstract： Taking the bearing capacity of the east span of a bridge damaged and strengthened in Jiangsu Province as the research object， the dynamic and static test and load test of the bridge are carried out. The stress， strain and deflection of the bridge under static load are mainly tested and analyzed. And the natural vibration frequency， damping ratio and strain increase coefficient under dynamic load. The test results show that the check coefficient of strain and deflection of the test section of the bridge can meet the requirements of the normal use of the design load， and the measured values of the first order vertical natural vibration frequency of the bridge are 2.26～3.13 Hz respectively， and the experimental value of the average natural vibration frequency of the bridge is larger than the calculated value. It is shown that the actual stiffness of the structure is greater than that of the calculated stiffness， and the damping ratio of the first order vertical mode is 0.01～0.05， which is within the normal range of 0.01～0.08.

Keywords： bridge detection； stress and strain； deflection； natural vibration frequency； damping ratio

1 工程概況

試驗橋梁為三跨連續(xù)梁橋，全長106.0m，修建于1987年。橋梁基本參數(shù)如下：設計荷載：汽車20噸，掛車100噸；上部結(jié)構(gòu)：30m+42m+30m鋼筋混凝土T梁+懸臂T梁；下部結(jié)構(gòu)：重力式墩和重力式臺。由于橋梁建設年代久遠，橋梁評分等級較低（2015年為B級），同時橋梁一邊邊跨收到車輛嚴重撞擊，根據(jù)相關規(guī)范要求對橋梁受損邊跨的承載能力進行檢測。

2 靜載試驗

橋梁靜載試驗主要是通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下各控制截面的應力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設計期望值是否相符，它是檢驗橋梁性能及工作狀態(tài)最直接、最有效的辦法。測試內(nèi)容主要包括應力測試、撓度測試等試驗項目。

2.1 加載工況與試驗效率

本橋為三跨連續(xù)梁橋，由于只有東側(cè)邊跨受損和加固處理，其它橋跨部分完好，因此，僅針對東邊跨進行承載能力測試，邊跨測試控制截面為跨中截面，測試工況為跨中截面應變及撓度。擬選定4輛350kN的汽車（單車總重為350kN，要求前軸重70kN，中后軸280kN，前中軸距為325cm，中后軸距為135cm）進行試加載。以5#梁和1#梁的跨中截面的對稱荷載的加載效率分別為0.92和0.97，符合《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》規(guī)范要求。

2.2 測點布置

根據(jù)橋梁受力特點，在邊跨跨中位置布置10×4=40個應變測點。應變測點全部采用120Ω應變片進行測試，并考慮測試現(xiàn)場的溫度補償。

撓度觀測截面為L/4截面、L/2截面、3L/4截面，其豎向撓度采用全站儀測量。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析及承載能力評定

2.3.1 剛度分析

邊跨撓度測量結(jié)果整理如表1（注：撓度向下為正）。

從表1可以看出，在試驗荷載作用下，橋梁主要測點撓度實測值均小于理論計算值。依照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.2.1中的說明，混凝土橋的撓度校驗系數(shù)ζ值小于1時，表明橋梁的實際狀況要好于理論狀況，承載能力滿足要求[1]。

結(jié)構(gòu)在卸載后的殘余的大小是說明結(jié)構(gòu)彈性工作性能的一個重要指標，因此，在卸載完畢后對結(jié)構(gòu)殘余變形進行觀測。

2.3.2 強度分析

在兩種工況的試驗荷載作用下，A-A斷面的實測值均小于理論值，校驗系數(shù)最大值僅為0.83<1，同時在某些梁出現(xiàn)了正負號相反的情況，這主要是由于應變片布點位置位于T型梁慣性軸附近，位置敏感，導致部分梁A-A斷面處于受拉狀態(tài)[2]。

此外，除了8#梁，B-B斷面主要測點應變實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)在0.07～0.68，而8#梁的校驗系數(shù)為3.54～4.46，遠大于所規(guī)定校驗系數(shù)的最大值1。為了8#梁的狀況進行驗證，我們觀察8#梁C-C截面的應變值以及校驗系數(shù)，發(fā)現(xiàn)8#梁C-C截面在三種工況作用下，其校驗系數(shù)僅為0.55～0.68<1，表明8#梁荷載的實際狀況要好于理論狀況，承載能力滿足設計要求。

在以5#梁最大正彎矩為加載對象的工況下，C-C斷面2～10#梁的校驗系數(shù)均小于1，然而1#梁C-C斷面兩個應變片的校驗系數(shù)為2.78，大于1；然而，在1#梁跨中位置最大正彎矩的工況下， 1～10#梁C-C截面的校驗系數(shù)為0.57～1.05之間，表明該測試截面的結(jié)構(gòu)整體受力性能能滿足設計荷載正常使用的要求。荷載卸除后，該橋跨測試截面的實測殘余應變較小，符合相關規(guī)范要求。此外，1#、2#梁校驗系數(shù)接近于1，表明橋梁部分梁體安全儲備較小，梁體性能有所降低。

3 動態(tài)特性分析

動載試驗主要用于綜合了解結(jié)構(gòu)自身的動力特性以及結(jié)構(gòu)抵抗受迫振動和突發(fā)荷載作用的能力，以判斷結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)和實際承載能力，同時也為使用階段結(jié)構(gòu)評估積累原始數(shù)據(jù)[3]。

本次動載試驗采用單輛試驗載重汽車以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h的速度在6#～8#梁之間的橋面上行使，測量橋梁結(jié)構(gòu)在行車狀態(tài)下的動應變、沖擊系數(shù)，分析橋梁的自振頻率和阻尼特性，動應變觀測位置位于橋梁中心的5#和7#梁。

3.1 自振頻率和阻尼特性

在大橋邊跨的一階豎向自振頻率實測值分別為2.26～3.13Hz，其均值為2.87，與計算頻率的比值分別為0.94～1.31，其均值為1.20，平均結(jié)構(gòu)自振頻率試驗值略大于計算值，表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度。

跑車試驗在10～60km/h所測得一階豎向振型的阻尼比為0.01～0.05，在正常范圍0.01～0.08之間，但是橋梁的阻尼比較大，表明橋梁性能衰退，整體性不強[4，5]。

3.2 行車動力響應

10km/h～40km/h跑車試驗，5#和7#梁C-C截面的應變增大系數(shù)（1+？滋）為1.09～1.16，其實測結(jié)構(gòu)動力增大效應小于設計規(guī)范取值（1+？滋=1.16），然而在60km/h跑車試驗中，5#和7#梁C-C截面最大實測結(jié)構(gòu)動力增大效應（1.25、1.26）均大于設計規(guī)范取值，說明橋梁在60km/h動態(tài)荷載作用下的動態(tài)響應大于設計值，動荷載實際產(chǎn)生的沖擊作用比規(guī)范考慮的要大[6，7]。

4 結(jié)束語

橋梁C-C截面的校驗系數(shù)為0.5～1.05之間，表明該測試截面的結(jié)構(gòu)整體受力性能能滿足設計荷載正常使用的要求。

本橋撓度校驗系數(shù)處于正常范圍之內(nèi)，在試驗荷載作用下，最大撓度小于設計控制值，滿足規(guī)范要求；橋梁主要控制點均小于20%控制值，結(jié)構(gòu)剛度符合設計荷載要求。

在大橋邊跨的一階豎向自振頻率實測值均值為2.87，大于計算值，表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度；跑車試驗測得一階豎向振型的阻尼比為0.01～0.05，處于正常范圍0.01～0.08之間。

參考文獻：

[1]交通部第二公路勘察設計院.公路舊橋承載能力鑒定方法：試行[M].人民交通出版社，1989.

[2]楊開生.吉林市江南大橋檢測與荷載試驗[J].黑龍江交通科技，2010，33（6）：109-110.

[3]皇星星，陳艷陽，楊軍凱，等.某黃河公路大橋檢測與養(yǎng)護加固淺析[J].低溫建筑技術(shù)，2015，37（6）：77-79.

[4]馮振興，曾曉茜.西溪河大橋檢測與評估[J].中國水運（下半月），2014，14（7）：268-270.

[5]張勁泉.我國公路橋梁承載能力檢測評定技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[Z].2005中外橋梁病害診治大會，2005：19-21.

[6]王國鼎，袁海慶，陳開利.橋梁檢測與加固[M].人民交通出版社，2003.

[7]李有豐，林安彥.橋梁檢測評估與補強[M].機械工業(yè)出版社，2003.