基于現(xiàn)場試驗的大跨連續(xù)梁橋靜動力性能

王浩，孫強

（中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，吉林 長春 130021）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行直接測試的一種鑒定手段，是反映橋梁結(jié)構(gòu)承載能力最直接有效的方法[1-2]。通過現(xiàn)場加載試驗并對試驗實測數(shù)據(jù)進行綜合分析，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，為交竣工驗收與質(zhì)量評定提供技術(shù)依據(jù)。通過靜力荷載試驗獲得橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，評價其在設(shè)計荷載作用下的靜力受力性能；通過動力荷載試驗獲得橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性等參數(shù)，驗證橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是否正常[3-4]。其中，靜力荷載試驗主要是依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)資料，確定結(jié)構(gòu)材料特性和截面幾何特性參數(shù)，利用有限元分析軟件建立結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造特點，選取具有代表性橋跨作為試驗跨，進行應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度等測試。動力荷載試驗主要是考察橋梁結(jié)構(gòu)固有的自振特性和結(jié)構(gòu)抵抗汽車動力荷載受迫振動的能力。

1 工程概況

橋梁上部結(jié)構(gòu)為（65+100+65）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁（圖1），三向預(yù)應(yīng)力體系，單箱單室斷面，采用掛籃懸澆施工。箱梁頂板寬14.25 m，底板寬7.25 m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬3.50 m，箱梁頂板設(shè)置2%的單向橫坡。箱梁根部梁高5.80 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.50 m，其余梁段箱梁高按二次拋物線變化。箱梁腹板厚40 cm，頂板厚28 cm，在0號塊設(shè)置2.50 m厚橫隔梁。箱梁底板厚度變化采用二次拋物線，由箱梁根部80 cm漸變至跨中28 cm。下部結(jié)構(gòu)主墩為薄壁墩，邊墩為帶蓋梁的空心薄壁墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

1）橋梁寬度：2×14.25 m（含1.75 m寬人行道）；

2）設(shè)計荷載：公路-I級，人群3.5 kN/m2；

3）混凝土強度等級：箱梁C50，墩身及蓋梁C30，承臺及樁基C25；

4）設(shè)計為單幅兩車道，設(shè)計偏載系數(shù)為1.15，動力系數(shù)為1.05。

圖1 橋型布置圖（cm）Fig.1 General arrangement of bridge(cm)

2 靜力性能測試

2.1 現(xiàn)場靜載試驗方案

根據(jù)JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》要求[5]，橋梁的靜力荷載試驗按照荷載效率η（對于成橋荷載試驗，0.85≤η＜1.05）來確定現(xiàn)場試驗加載的荷載。采用橋梁專用有限元軟件建立空間有限元模型，模型尺寸按照橋梁結(jié)構(gòu)實際尺寸模擬，模型共劃分為245個節(jié)點和236個空間梁單元，采用該模型進行試驗荷載內(nèi)力、試驗荷載反應(yīng)和自振特性的分析計算。

根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖及橋型特點，選取圖1所示的3個截面（A-A中跨跨中最大正彎矩截面、B-B墩頂附近最大負(fù)彎矩截面、C-C邊跨最大正彎矩截面）作為此次荷載試驗的控制截面。采用汽車加載來等效設(shè)計荷載，同時為節(jié)約試驗耗時，需要對加載工況盡量進行優(yōu)化[6]。經(jīng)計算，需要10臺重約350 kN的三軸重車通過2次加載即可滿足要求。本次試驗的具體工況與相應(yīng)荷載效率及試驗內(nèi)容見表1。

表1 試驗工況、加載效率與試驗內(nèi)容Table 1 Test conditions,load efficiency and test contents

2.2 撓度測試

橋梁撓度觀測點布置在橋面，撓度測點共28個，編號分別為Z1～Z14，Y1～Y14，具體布置情況如圖2所示。撓度采用瑞士徠卡DNA03高精度電子水準(zhǔn)儀進行測量。

圖2 橋面撓度測點布置圖（cm）Fig.2 Layout of bridge deck deflection measurement points(cm)

工況1與2滿載時，試驗橋跨的實測彈性撓度與相應(yīng)理論計算撓度曲線如圖3所示，圖3中撓度向下為正且均已對支座沉降進行了修正；跨中撓度測點實測值與理論值的η-f（加載效率-撓度）關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 試驗荷載作用下的撓度變化曲線Fig.3 Deflection curve under test load

由圖3與圖4可得出，實測撓度曲線與理論計算撓度曲線的變化規(guī)律一致，且均小于理論值，說明結(jié)構(gòu)的實際剛度要優(yōu)于設(shè)計；試驗橋跨的實測撓度隨現(xiàn)場荷載的增加呈線性變化，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍。

圖4 試驗荷載作用下跨中撓度測點η-f關(guān)系曲線Fig.4 η-f curve of midspan deflection measurement points under test load

2.3 應(yīng)變測試

應(yīng)變測試斷面選在A-A、B-B、C-C（如圖1所示）截面底面和側(cè)面布置，各截面均布置12個應(yīng)變測點，合計共36個測點。應(yīng)變采用江蘇東華DH3819無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)配以BX120-80AA混凝土應(yīng)變片進行測量。各工況滿載時，試驗橋跨控制截面測點實測彈性應(yīng)變沿梁高的分布情況見圖5。

圖5 控制截面應(yīng)變分布圖（με）Fig.5 Strain distribution of control section(με)

由圖5中可以看出，試驗橋跨的實測應(yīng)變沿梁高呈線性變化[7-8]，A-A、B-B、C-C控制截面實測數(shù)據(jù)擬和的中性軸至梁底的距離分別為159.1 cm、325.7 cm、170.8 cm，與其理論計算的中性軸至梁底的距離160.2 cm、325.3 cm、170.3 cm基本一致，說明結(jié)構(gòu)實際受力狀況良好，與設(shè)計理論吻合很好，達到設(shè)計目的。

2.4 靜力性能評價

各加載工況下，橋面主要測點的撓度與控制截面的應(yīng)變實測值與理論值見表2，表2中應(yīng)變?yōu)榭刂平孛媪旱酌鏈y點的平均應(yīng)變值，撓度為該控制截面處橋面的撓度值。

從表2中可得出，試驗橋跨的3個控制截面的撓度與梁底面應(yīng)變的校驗系數(shù)在0.69～0.81之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)的實際強度與剛度滿足設(shè)計荷載要求，且有一定的安全儲備；本次試驗卸載后的殘余值均較小，撓度與應(yīng)變的相對殘余為0.2%～9%，最大值為9%發(fā)生在B-B控制截面（墩頂附近截面）的梁底應(yīng)變，遠(yuǎn)小于《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》要求的20%，表明橋梁處于彈性工作狀態(tài)；試驗橋跨滿載時控制截面的撓度最大實測值分別為28.64 mm（中跨截面）、15.02 mm（邊跨截面）均小于JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求的[f]≤l/600=166.67 mm（中跨）、108.33 mm（邊跨）允許撓度，表明結(jié)構(gòu)的剛度與強度滿足設(shè)計與使用要求，橋梁結(jié)構(gòu)整體靜力性能良好，承載能力滿足要求。

3 動力性能測試

3.1 現(xiàn)場動載試驗方案

采用環(huán)境激勵法（地脈動）與強迫振動法（無障礙勻速跑車、有障礙跳車試驗）等方法對橋梁結(jié)構(gòu)進行動力荷載試驗，采用北京東方所INV3062T0動態(tài)信號采集和分析系統(tǒng)配以941B型超低頻無源伺服拾振器測試橋梁的自振頻率與阻尼比、動力增大系數(shù)（沖擊系數(shù)）等動力性能參數(shù)，以評價橋梁結(jié)構(gòu)實際動力性能。

加速度傳感器（用于測試梁的自振頻率與阻尼比）及動撓度（用于測試橋梁的動力增大系數(shù)）測點布置如圖6所示。其中，D1～D9為垂直拾振器，布置在各跨的跨中與四分點，動撓度測點布置在中跨跨中箱梁梁體的左側(cè)面，弓形障礙物（用于跳車試驗）布置在中跨跨中的橋面上。

圖6 橋梁動載試驗測點布置圖（cm）Fig.6 Measurement points of dynamic load test(cm)

3.2 自振頻率測試

對環(huán)境激勵、跑車、跳車等不同工況下拾振器采集的加速度時程信號進行FFT處理分析，識別結(jié)構(gòu)的自振頻率與阻尼比。橋梁結(jié)構(gòu)前三階豎向?qū)崪y自振頻率與相應(yīng)的理論計算頻率見表3。

表3 不同工況下實測頻率測試結(jié)果Table 3 Measured frequency results under different working conditions

從表3中可看出，不同測試方法獲得的自振頻率較為接近，橋梁前三階的豎向?qū)崪y頻率均大于理論計算頻率，表明試驗橋跨結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)整體剛度良好；此外，通過對加速度實測信號分析獲得的實測阻尼比為1.178%～2.125%，表明結(jié)構(gòu)在受到外界激勵時屬于小阻尼振動[9]。

3.3 動力增大系數(shù)測試

利用動撓度儀采集橋梁結(jié)構(gòu)在跑車、跳車等不同汽車動力荷載工況下結(jié)構(gòu)受迫振動的動撓度時程曲線，通過對時程曲線分析拾取最大與最小值計算得到結(jié)構(gòu)實測的動力放大系數(shù)。不同工況下，橋梁結(jié)構(gòu)的動力增大系數(shù)如表4所示。

表4 不同工況下動力增大系數(shù)測試結(jié)果Table 4 Dynamic increase factor results under different working conditions

從表4中可看出，不同工況下，結(jié)構(gòu)的動力增大系數(shù)在1.006～1.051之間，總體較小，表明結(jié)構(gòu)實際行車舒適性較好[10]，但是，有障礙的跳車試驗的動力增大系數(shù)明顯比勻速跑車試驗要大得多，表明橋面的平整度對行車舒適性影響較大，需要注意后期運營過程中的保養(yǎng)，保證橋面平順。

4 結(jié)語

以大跨度連續(xù)梁橋為工程實例進行了現(xiàn)場荷載試驗，主要包括不同靜力荷載工況下的撓度與應(yīng)變測試，跑車、跳車與地脈動等動力試驗工況下的自振頻率與動力增大系數(shù)等參數(shù)測試，得出以下主要結(jié)論：

1）加載過程中試驗橋跨的實測撓度隨現(xiàn)場荷載的增加呈線性變化，同時試驗卸載后的殘余值均較小，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍；控制截面實測數(shù)據(jù)擬和的中性軸至梁底的距離與理論計算吻合較好，表明結(jié)構(gòu)實際受力狀況良好。

2）試驗橋跨控制截面的撓度與應(yīng)變的校驗系數(shù)滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)的剛度與強度滿足設(shè)計與使用要求，承載能力滿足要求。

3）不同測試方法獲得的自振頻率較為接近且均大于理論計算頻率，表明試驗橋跨結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論計算值；結(jié)構(gòu)動力增大系數(shù)總體較小，表明橋梁結(jié)構(gòu)的行車舒適性較好，但是需要注意后期運營過程中的保養(yǎng)，以保證橋面的平順性。