直腹板帶翼箱梁橋荷載試驗(yàn)研究與承載力評定

段宇 王保兵

1．云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司昭通管理處，中國·云南 昭通 657000

2．云南通衢工程檢測有限公司，中國·云南 昆明 650000

為評價(jià)中國省道S101 線昭陽至永善公路改建工程K111+409．5 橋的受力狀況與工作性能，該橋是一種新型結(jié)構(gòu)形式橋，其上部結(jié)構(gòu)為直腹板帶翼箱梁，具有一定的科研試驗(yàn)性。通過靜動(dòng)載試驗(yàn)研究其真實(shí)受力狀況，靜載試驗(yàn)是在相應(yīng)的測試截面按照試驗(yàn)荷載效率合理布載并測試主梁各截面相應(yīng)測點(diǎn)應(yīng)力和位移；動(dòng)載試驗(yàn)是通過模態(tài)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)來測試該橋的固有頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)。結(jié)果表明：該橋主拉應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均未超出標(biāo)準(zhǔn)容許值1，橋梁實(shí)際工作性能很好，相對殘余應(yīng)變和殘余撓度最大值分別為9．36%和2．21%，都未超出標(biāo)準(zhǔn)容許值20%，橋梁整體處于彈性變形階段；在動(dòng)力荷載作用下，橋梁第1 階豎向自振頻率為4．883，阻尼比為0．005%，應(yīng)變測試所得沖擊系數(shù)在1．07～1．26 之間，豎向?qū)崪y的頻率大于理論計(jì)算頻率，橋梁整體結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

直腹板箱梁 ；荷載試驗(yàn)；校驗(yàn)系數(shù)；動(dòng)力荷載

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，道路交通行業(yè)得到飛速的發(fā)展，橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)难屎恚涫褂霉δ艿恼Ｅc否直接關(guān)系到整條公路的運(yùn)行。為保證箱梁橋成橋后的正常運(yùn)營，需要對箱梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)與承載力評定來確定橋梁的真實(shí)受力狀況。

目前，全球許多的學(xué)者已對箱梁橋荷載試驗(yàn)研究與承載力評定研究，并取得了一定的研究成果。Demeke B．Ashebo[1]對斜交小箱梁動(dòng)力特性試驗(yàn)分析；Khalim，Mohse[2]等對中間隔板多室箱梁橋的荷載試驗(yàn)與橫向荷載分布系數(shù)的研究；Dereck J．Hodson[3]對箱梁橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)和有限元模擬分析的研究；錢寅泉[4]對裝配式小箱梁橋荷載橫向分布數(shù)值分析與荷載試驗(yàn)的分析研究；楊美良、石恩崇等[5]對組合式小箱梁橋基于荷載試驗(yàn)對荷載橫向分布的研究；周勇軍[6]對箱梁橋荷載試驗(yàn)和加載車輛的研究。但是目前國內(nèi)針對直腹式帶翼箱梁橋的荷載試驗(yàn)研究卻鮮有文獻(xiàn)提及。因此，開展此課題的研究具有應(yīng)用價(jià)值。

論文以K111+409．5 中橋?yàn)橐劳泄こ?，該橋位于省道S101 線昭陽至永善公路改建工程項(xiàng)目蓮峰至黃華丫口段。上部結(jié)構(gòu)是30m+16 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土帶翼箱梁，下部結(jié)構(gòu)包括的橋墩為雙圓柱式墩、其基礎(chǔ)設(shè)有鉆孔灌注樁；兩岸橋臺(tái)均為重力式橋臺(tái)，設(shè)計(jì)荷載為公路-II級。橋面寬度：2x0．5m（護(hù)欄）+8m（行車道）=9m，R=800m的右偏圓曲線位于橋平面上，橋面設(shè)有2%的雙向橫坡，縱斷面設(shè)有4%的縱坡；墩臺(tái)徑向布置；全橋有2 個(gè)伸縮縫。

利用MIDAS/Civil 建立該橋梁格模型模擬公路-II 級荷載并進(jìn)行分析，在靜力荷載下測試上部結(jié)構(gòu)每個(gè)截面測點(diǎn)的應(yīng)力和位移值，分析和對比各測試面相應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力和位移值是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

2 橋梁靜載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)原則

靜載試驗(yàn)主要測試橋梁上部主體結(jié)構(gòu)各控制截面測點(diǎn)的應(yīng)變、位移、卸載完的殘余應(yīng)變和殘余變形[7]，綜合評價(jià)橋梁主體結(jié)構(gòu)性能。采用汽車荷載模擬設(shè)計(jì)荷載，在主體結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力影響線最不利位置加載，使其試驗(yàn)荷載效率系數(shù)在0．85～1．05 之間。根據(jù)計(jì)算分析確定該橋靜載試驗(yàn)需2 輛45T 雙后軸特重車，試驗(yàn)車滿載時(shí)軸重、軸距如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)車

應(yīng)變測試：應(yīng)變片布于相應(yīng)測試面的箱梁底部和箱梁腹板，其電阻為120Ω，靈敏度系數(shù)為2．08，標(biāo)距為10cm，運(yùn)用DH3819 無線靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

撓度測試：在各控制截面箱梁底部，采用懸掛鋼絲+吊錘+百分表的方法，既在測試截面梁底部中間設(shè)置掛鉤，在掛鉤上懸掛鋼絲，鋼絲底部懸吊重錘，重錘下面架設(shè)百分表，重錘通過固定支架來約束，如圖2所示。

圖2 撓度測試裝置示意

2.2 測試截面及測點(diǎn)布置

根據(jù)受力最不利的原理，選1#跨作為測試跨，主要測試1#跨J1、J2 和J3 截面各主梁的應(yīng)力以及變形情況，測試截面布置如圖3所示；在每個(gè)控制面梁的底部和側(cè)面布設(shè)相應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn)，沿大里程方向，從左往右，J1 斷面布設(shè)14 個(gè)應(yīng)變點(diǎn)、J2 斷面布設(shè)8 個(gè)應(yīng)變點(diǎn)，其中J2 斷面腹板沒有應(yīng)變點(diǎn)、梁端剪力J3 斷面布設(shè)4 個(gè)應(yīng)變點(diǎn)，具體布置如圖4所示。

圖3 測試面布置圖（單位：cm）

圖4 測試面應(yīng)變和撓度測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

2.3 荷載布置與測試工況

在1#跨的J1、J2 和J3 三個(gè)截面依次進(jìn)行加載，每一截面加載車沿橫向布置2 輛車，加載方式分為中載和偏載，其中梁端剪力截面加載方式為偏載。結(jié)構(gòu)計(jì)算按特載45T 在最不利位置布載，取控制截面最大正彎矩和梁端最大剪力作為加載截面的控制值，荷載流程詳見表1。

表1 荷載試驗(yàn)流程

2.4 靜載試驗(yàn)效率

為了滿足設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的要求，試驗(yàn)車的數(shù)量和軸重是根據(jù)控制內(nèi)力等效原則來選擇，使得靜載效率ηq介于0．85～1．05，測試前對試驗(yàn)車輛進(jìn)行稱重。按式（1）[7]計(jì)算：

在試驗(yàn)加載分析時(shí)，考慮2 車道荷載，設(shè)計(jì)荷載中已考慮了沖擊系數(shù)，但不考慮橫向折減。通過加載位置、加載噸位等調(diào)整控制靜載效率ηq介于0．85～1．05，該橋靜載效率值詳見表2。

表2 靜載荷載效率系數(shù)

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．5．1 應(yīng)變測試結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0．70～0．90 之間，表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是符合設(shè)計(jì)要求，橋梁整體工作性能良好；相對殘余應(yīng)變值小于9．36%，小于文獻(xiàn)[7]規(guī)定的20%，說明該橋整體剛度有一定余度，上部結(jié)構(gòu)處于彈性變形；在受力作用下各測試截面無異常，橋梁整體處于正常受力狀況。

根據(jù)應(yīng)變測試的結(jié)果，將每個(gè)測試點(diǎn)的彈性應(yīng)變與理論彈性應(yīng)變繪制成圖5所示。

圖5 各工況下理論與實(shí)測彈性應(yīng)變對比曲線

從圖5 可知，在試驗(yàn)荷載下，各測試面的實(shí)測應(yīng)變值與理論計(jì)算值沿橋橫向變化規(guī)律是一致的，且測試值均小于理論計(jì)算值，說明該橋橫向力傳遞正常，橋梁整體剛度分布相對均勻。

2．5．2 梁體側(cè)面應(yīng)變測試結(jié)果

在試驗(yàn)荷載下，2#梁腹板的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)測試應(yīng)變沿梁高度的分布，分析2#梁體中性軸的高度及工作狀況，如圖6所示。

表3 梁體側(cè)面實(shí)測應(yīng)變-梁高比較

圖6 實(shí)測彈性應(yīng)變-梁高分布圖

由圖6 分析可得，2#梁體測試應(yīng)變值沿梁高的變化具有良好的線性關(guān)系，梁腹板截面的變形符合平面假設(shè)，說明2#梁在車輛荷載下處于彈性變形階段。根據(jù)線性回歸方程可得，2#梁體的實(shí)測中和軸距離梁底距離為107．34cm，理論中和軸高度為99．6cm，出現(xiàn)偏差的原因是橋面鋪裝、混凝土護(hù)欄等參與受力有關(guān)，屬于正?，F(xiàn)象。

2．5．3 梁端抗剪截面測試結(jié)果

在各荷載作用下，J3 測試面2#梁每個(gè)測試點(diǎn)主拉應(yīng)變測試值與理論計(jì)算值的比較如表4所示。

表4 實(shí)測主拉應(yīng)變值與理論值的比較

由表4 可見，2#梁的J3 剪力截面4 個(gè)應(yīng)變測試點(diǎn)的主拉應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0．45～0．63，滿足文獻(xiàn)7]中校驗(yàn)系數(shù)＜1的要求；在試驗(yàn)過程中，對各測試截面附近進(jìn)行肉眼觀察，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫，說明梁端抗剪承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2．5．4 撓度測試結(jié)果分析

在各工況下，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0．73～0．92 之間，撓度實(shí)測值的最大變形為8．21mm，為計(jì)算跨徑（29．40m）的1/3581，表明結(jié)構(gòu)的剛度有一定富余度；大部分測量點(diǎn)的殘余變形值都為0，表明該橋變形恢復(fù)較好，少數(shù)測量點(diǎn)具有殘余變形，最大相對殘余變形為2．21%，整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段和正常受力狀況。

根據(jù)撓度測試結(jié)果，將各測點(diǎn)的測試彈性撓度值與理論彈性撓度值繪制成圖7所示。

圖7 各工況下實(shí)測與理論彈性撓度對比曲線

從圖7 看出，在各工況下，測試的彈性撓度值與理論彈性撓度值沿橋橫向變化基本一致，且實(shí)測彈性撓度均小于理論彈性撓度，表明結(jié)構(gòu)整體的橫向傳力正常，剛度分配相對均勻。

3 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次動(dòng)力荷載試驗(yàn)主要包括是模態(tài)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)[7]。模態(tài)測試是用DH5907N 無線模態(tài)測試儀來測試橋梁自振特性；跑車試驗(yàn)是用DH5908 動(dòng)態(tài)信號(hào)測試儀來收集和分析動(dòng)應(yīng)變；用1 輛450kN 的試驗(yàn)車以10～30km/h 速度沿行車道中央勻速過橋來測試橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變。

3.2 自振特性結(jié)果和分析

根據(jù)環(huán)境激振下橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)和跑車試驗(yàn)的余振信號(hào)，可以得出該橋自振特性和阻尼比，則測試值與理論值見表5，各階實(shí)測模態(tài)振型如圖8所示。

表5 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 一階和二階實(shí)測振型

3.3 沖擊系數(shù)結(jié)果和分析

跑車試驗(yàn)選1#跨J1 截面和J2 截面的2#梁、3#梁，在行駛車輛荷載作用下測試橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。根據(jù)跑車試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)應(yīng)變的峰值和谷值來計(jì)算應(yīng)變沖擊系數(shù)，如表6所示。根據(jù)理論計(jì)算基頻，試驗(yàn)橋梁理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0．32。

表6 沖擊系數(shù)測試值

由表6 可知，隨著行車速度不斷的增加，所對應(yīng)的沖擊系數(shù)呈明顯遞增的趨勢，其增加量變化很小，動(dòng)應(yīng)變隨時(shí)間的 變化曲線較好，試驗(yàn)測得最大動(dòng)力系數(shù)為1．26，相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變增值為0．26，小于理論計(jì)算值0．32，表明橋面行車舒坦。

4 結(jié)語

（1）在各工況下，靜載效率介于0．92～1．03，在規(guī)范允許值0．85～1．05 范圍內(nèi)，說明靜載試驗(yàn)成立。

（2）在不同工況下，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0．73～0．92，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0．70～0．90，主拉應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0．45～0．63之間，表明橋梁整體剛度大且具有一定富余度，梁端剪切力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

（3）在不同工況下，每個(gè)測點(diǎn)的相對殘余變形和殘余應(yīng)變值均為0，其中相對殘余應(yīng)變和殘余變形最大值分別為9．36%和2．21%，都未超出20%的規(guī)范極限值，表明該橋整體處在彈性狀況，整體剛度較大。

（4）動(dòng)力測試結(jié)果表明，豎向一階、二階振動(dòng)實(shí)測頻率與理論頻率比值分別為1．245 和1．356，滿足規(guī)范中≧0．9 的要求；在跑車試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)應(yīng)變增值為0．26，小于理論計(jì)算值0．39，表明橋面行車舒適。