城市橋梁動靜載試驗分析

1.引言

近年來，隨著橋梁設計水平和施工技術的提高，很多新材料、特殊結構形式及新工藝應用到橋梁建設上來。但施工過程中存在的管理不到位，使用不合格材料等因素，導致橋梁在建成時就有病害，運營過程中可能出現(xiàn)的超載車輛，使病害進一步加強。因此，為評定橋梁設計成果和施工質量、結構承載能力，保證橋梁通車后能安全運營，需要對剛竣工的橋梁進行承載力檢測，即橋梁動、靜載實驗。

圖1 靜載試驗控制截面布置圖

2.工程概況

本文針對武漢市墨水湖北路高架一聯(lián)3*30米預應力混凝土連續(xù)梁進行動、靜載檢測實驗分析。平面位于半徑R=400米的圓曲線上，箱梁采用單箱三室截面，梁頂板結構寬26米，梁高2.0米，梁體采用C50 混凝土，箱梁采用縱、橫雙向預應力體系。斷面為雙向六車道，設計車速為60km/h，汽車荷載：城-A 級。

圖2 A-A、B-B、C-C 斷面測點布置圖

3.靜力荷載試驗

3.1 檢測內容及斷面布置

靜載試驗內容包括主梁控制截面的應力和撓度，依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》CJJ/T 233-2015 中關于橋梁荷載試驗的有關規(guī)定，結合橋梁受力特點，在滿足評定橋梁承載能力的前提下，按最不利效應的原則，本橋靜載試驗控制斷面設置在跨中最大正彎矩處、支點截面最大剪力處，共5 處，如下圖1所示。

在上述五個檢測斷面中，布置5個（A～E）應力檢測斷面，3個（A～C）撓度檢測斷面。各檢測斷面的應變檢測點設置在各截面箱梁底板和腹板；剪力檢測點布置在主梁中性軸處；撓度檢測點布置在截面的橋面板上。各斷面的檢測點布置如下圖2～4所示。

圖3 D-D 斷面測點布置圖

圖4 E-E 斷面測點布置圖

3.2 橋梁結構有限元模型的建立

根據(jù)設計圖紙，采用有限元軟件Midas建立空間有限元模型，并進行靜、動力計算和分析，分別計算試驗車輛作用下，各種靜力工況下結構的內力、位移等參數(shù)，以便與實測數(shù)據(jù)進行對比。

圖5 橋梁結構有限元模型

3.3 靜力試驗加載及加載工況

靜力試驗荷載既要保證結構的安全性，又能暴露出結構的承載能力。根據(jù)橋梁相關檢測規(guī)范規(guī)定，靜載試驗的荷載效率系數(shù)為：0.95 ＜ηq ＜1.05。按照控制內力或變位等效原則，確定本次靜力試驗工況及荷載。本次試驗荷載采用單車總重40噸，前軸軸重約為8噸，后軸軸重約為32噸，前軸距L1 為3.8m，后軸距L2 為1.4m 的六輛試驗車輛。

因本橋平面處于圓曲線上，加載方式包含中載和偏載兩種加載工況。荷載按三級加載，加載完成后，按兩級卸載。各試驗工況和荷載效率如表1所示：

表1 靜載試驗各工況及荷載效率系數(shù)

表2 不同工況下各截面最大應變統(tǒng)計表 單位：με

表3 不同工況下各截面最大豎向撓度結果統(tǒng)計表 單位：mm

3.4 靜載結果及分析

各工況滿載作用下，各截面實測最大應變和根據(jù)空間有限元模型理論計算值如表2所示：

各工況滿載作用下，各截面實測最大豎向撓度和根據(jù)空間有限元模型理論計算值如表3所示：

由上述兩表可以看出，結構在各靜載試驗工況下，實測最大應變?yōu)槔碚搼兊?.73倍，實測最大撓度為理論撓度的0.79倍，校驗系數(shù)均小于1.0，實際承載能力滿足設計要求。撓度實測值均小于理論計算值，最大撓跨比為1/8219，遠小于規(guī)范允許的1/600，結構剛度滿足設計要求。

4.動力檢測布置

橋梁動載實驗主要包括結構自振特性實驗和行車動力響應實驗。檢測參數(shù)包括：自振頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)、動應變、動撓度等。通過橋梁結構實測動力參數(shù)與理論計算參數(shù)的比較，從而判斷結構整體剛度是否滿足設計要求。

4.1 結構動力分析及工況

4.1.1 根據(jù)已建立的空間有限元模型，進行橋梁結構動力響應分析，得到其振型、自振頻率和阻尼等參數(shù)。

4.1.2 自振特性實驗工況

橋梁結構在橋面無交通荷載及穩(wěn)定振源，主要由風荷載、地脈動等隨機激勵下引起微幅振動響應，產(chǎn)生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集，由動態(tài)信號采集分析儀進行信號處理得到結構實測自振頻率和阻尼比。

4.1.3 行車動力響應參數(shù)試驗工況

（1）跑車試驗：用一輛載重40噸的實驗車輛分別以20、30、40km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速駛過橋梁，測試結構的動力響應。

（2）跳車試驗：在跨中截面布置障礙物（寬30cm，高7cm），用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速，勻速駛過障礙物進行跳車實驗，測試結構的動力響應。

（3）制動試驗：用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速行駛，在實驗截面位置緊急剎車，激發(fā)橋梁的水平振動，測試結構的動力響應。

以上工況下產(chǎn)生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集，進行信號處理得到結構動力響應。

4.2 動載試驗結果、分析

4.2.1 振動特性實驗結果

通過對橋梁結構理論分析和脈動測試信號分析，得到橋梁一階自振頻率、阻尼比和實測值。

由表4數(shù)據(jù)可以看出，橋梁基頻實測值為4.79Hz，大于理論計算值4.40Hz，結構剛度滿足設計要求。

表4 振動頻率表 單位：Hz

表5 檢測截面跑車實驗沖擊系數(shù)實測值

表6 有障礙行車實驗檢測結果

表7 制動實驗檢測結果

4.2.2 無障礙跑車試驗

通過測試橋梁結構在行車過程中動撓度來計算結構的實際沖擊系數(shù)，各實驗跨實測沖擊系數(shù)如表5所示：

沖擊系數(shù)是反應橋梁在運營階段工作狀況的一個重要指標，它與橋梁的線型、橋面平整度都存在直接關系。從表5可以看出，橋梁結構在車速為40km/h 時沖擊系數(shù)最大，實測沖擊系數(shù)（1+μ）在1.02～1.07之間，均小于理論計算值1.25，滿足規(guī)范要求。

4.2.3 有障礙行車實驗

在檢測跨中截面布置障礙物（寬30cm，高7cm），用一輛加載車以20km/h 車速，勻速行駛過障礙物進行跳車試驗，測試結構的動力響應，測得的動撓度如表6所示：

由表6數(shù)據(jù)可以看出，橋梁結構反應平穩(wěn)，最大動撓度及沖擊系數(shù)都滿足規(guī)范要求。

4.2.4 制動實驗

用一輛加載車以30km/h 車速勻速行駛至實驗跨截面處立即剎車至停止，測得的動撓度結果如表7所示：

由表7數(shù)據(jù)可以看出，橋梁結構反應平穩(wěn)，最大動撓度及沖擊系數(shù)都滿足規(guī)范要求，結構動力性能較好。

5.結論

通過對本橋進行不同工況下的靜、動載實驗，及對檢測數(shù)據(jù)進行整理分析表明，該橋工作性能較好，承載能力達到設計要求。