新建變截面連續(xù)箱梁橋靜動載試驗(yàn)與性能評價(jià)

王燕 張飛

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福州 350108）

大跨度橋梁竣工后需要進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果作為評定工程質(zhì)量優(yōu)劣和結(jié)構(gòu)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要指標(biāo)［1］。橋梁荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于新建、改建和加固的各類型橋梁，是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)性能和工作狀態(tài)最直接有效的方法［2-6］?，F(xiàn)有橋梁荷載試驗(yàn)的研究［7-10］中，通過靜載試驗(yàn)中控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)來評價(jià)橋梁的承載能力，通過測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變來評價(jià)橋梁的彈塑性工作狀態(tài)；通過動載試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的自振特性和沖擊系數(shù)評價(jià)橋梁的動力特性。受偏載扭轉(zhuǎn)翹曲效應(yīng)和箱梁剪力滯效應(yīng)影響，現(xiàn)場試驗(yàn)中同一截面橫向各測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是不同的，需要對結(jié)構(gòu)效應(yīng)橫向分布不均勻程度進(jìn)行測定，以達(dá)到檢驗(yàn)和優(yōu)化原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的目的。

本文以尤溪水東大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘?，開展靜載試驗(yàn)、環(huán)境脈動試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)，分析橋梁的強(qiáng)度、剛度、自振特性、動力響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)，檢驗(yàn)橋梁的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，評價(jià)結(jié)構(gòu)的承載能力和工作性能，為橋梁的竣工驗(yàn)收和投入運(yùn)營提供理論依據(jù)。

1 工程概況

尤溪水東大橋位于福建省省道304線火甲坑至尤溪城關(guān)公路段，其市區(qū)側(cè)主橋?yàn)橐宦?lián)（36+56+36）m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋。全橋按雙向4車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級。主梁分左右兩幅，單幅橋面寬12 m，橫橋向布置為0.25 m 欄桿+3.75 m 人行道+7.50 m 行車道+0.50 m 防撞護(hù)欄。單幅橋采用變截面單箱單室斜腹板箱梁，支點(diǎn)處梁高3.4 m，跨中梁高1.9 m，梁底曲線按二次圓曲線變化。箱梁頂板寬12 m，兩側(cè)懸臂長2.5 m，底板寬5.1 ～6.1 m，腹板斜率為3∶1。

下部主墩采用薄壁花瓶墩，墩身和基礎(chǔ)單幅設(shè)置，墩身厚1.6 m，承臺厚2.5 m，基礎(chǔ)為雙排4 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。支座采用GPZ（KZ）系列抗震盆式橡膠支座，9#墩設(shè)置GPZ（KZ）15GD 和GPZ（KZ）15DX 型，10#墩設(shè)置GPZ（KZ）15DX 和GPZ（KZ）15SX 型。主梁除0 號塊及邊跨直線段采用支架現(xiàn)澆外，其余梁段采用對稱懸臂澆筑施工，共劃分6個懸澆梁塊，長度為3 ～4 m。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立全橋有限元模型，全橋離散為118 個梁單元。9#墩支點(diǎn)處除了繞橫橋向轉(zhuǎn)動自由外，其他自由度全部約束。8#，10#，11#墩支點(diǎn)處除了繞橫橋向轉(zhuǎn)動和縱橋向平動自由外，其他自由度全部約束。靜力計(jì)算時考慮預(yù)應(yīng)力張拉后鋼束截面效應(yīng)的換算截面積和慣性矩，采用公路-Ⅱ級車道荷載。采用子空間迭代法進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性分析，將主梁自重和二期恒載轉(zhuǎn)換為x，y，z方向的質(zhì)量。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

1）結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η是靜載試驗(yàn)中對比結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和理論狀態(tài)的評價(jià)指標(biāo)，其表達(dá)式為

式中：Se為試驗(yàn)工況下測點(diǎn)彈性應(yīng)變或撓度的實(shí)測值；Ss為試驗(yàn)工況下測點(diǎn)應(yīng)變或撓度的理論計(jì)算值。

若η不大于1，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能，承載能力具有一定的安全儲備。

2）橫向增大系數(shù)ζ是反映結(jié)構(gòu)效應(yīng)橫向不均勻分布程度的評價(jià)指標(biāo)。其表達(dá)式為

式中，Semax為試驗(yàn)工況下同一截面橫向各測點(diǎn)彈性應(yīng)變或撓度的最大值；-Se為試驗(yàn)工況下同一截面橫向各測點(diǎn)彈性應(yīng)變或撓度的平均值。

ζ越小，荷載橫向分布越均勻，偏載引起的扭轉(zhuǎn)翹曲效應(yīng)越不顯著。對于箱形截面梁橋，一般要求ζ不大于1.15，此時主梁的抗扭剛度大，整體性和橫向連接情況良好。

3）相對殘余應(yīng)變或撓度ΔS是反映結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)的評價(jià)指標(biāo)。其表達(dá)式為

式中：Sp為試驗(yàn)工況下測點(diǎn)殘余應(yīng)變或撓度的實(shí)測值；St為試驗(yàn)工況下測點(diǎn)總應(yīng)變或撓度的實(shí)測值。

ΔS越小，結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀態(tài)。一般要求ΔS小于20%。

錯誤分析理論（Error Analysis）的提出是二語習(xí)得領(lǐng)域的一個新發(fā)展，同時它的興起和出現(xiàn)也成為從事語言教學(xué)的工作者和學(xué)者們一個全新的研究視角。美國應(yīng)用語言學(xué)家Fries和其他一些研究者在二語習(xí)得中系統(tǒng)地研究語言的錯誤現(xiàn)象，并提出錯誤分析理論。到二十世紀(jì)六七十年代，該理論被英國語言學(xué)家科德（S.P.Corder）進(jìn)一步發(fā)展后最終形成錯誤分析理論。

3.2 試驗(yàn)截面與測點(diǎn)布置

通過有限元模型對主橋進(jìn)行靜力分析，得到結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖，選取結(jié)構(gòu)最不利受力截面作為試驗(yàn)控制截面，包括：①8#—9#墩邊跨最大正彎矩截面（A-A），距離8#墩中心15 m，大致位于0.4L（L為跨度）位置；②9#墩墩頂最大負(fù)彎矩截面（B-B），考慮橫隔板構(gòu)造，選取距離9#墩中心2 m 位置；③9#—10#墩主跨最大正彎矩截面（C-C），位于跨中。選取8#—9#墩邊跨和9#—10#墩主跨的L/4，L/2，3L/4 作為撓度測試截面，編號依次為1—6。靜載試驗(yàn)測試截面布置見圖1。

圖1 靜載試驗(yàn)測試截面布置（單位：cm）

根據(jù)控制截面的彎矩影響線確定靜載試驗(yàn)的車輛重量和加載位置，以截面彎矩等效原則設(shè)計(jì)試驗(yàn)荷載工況，并滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》［11］中試驗(yàn)荷載效率為0.95 ～1.05的要求。靜載試驗(yàn)工況與控制截面對應(yīng)，見表1。

表1 靜載試驗(yàn)工況

為分析偏載下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)沿橫向的分布情況，每個箱梁斷面的頂?shù)装甯鞑贾? 個應(yīng)變測點(diǎn)，全橋共計(jì)18 個應(yīng)變測點(diǎn)。每個箱梁斷面設(shè)置2 個撓度測點(diǎn)，1 個位于防撞護(hù)欄內(nèi)邊緣，1 個位于人行道緣石處，全橋共計(jì)12個撓度測點(diǎn)。斷面測點(diǎn)布置見圖2。每次加載前采集數(shù)據(jù)初值，持荷時間滿足15 min 后測讀測點(diǎn)效應(yīng)，卸載穩(wěn)定15 min后測讀測點(diǎn)殘余應(yīng)變。

圖2 斷面測點(diǎn)布置（單位：cm）

試驗(yàn)中采用4輛后雙排軸平頭載重汽車，車重和載重共40 t。前軸重10 t，后雙軸重30 t，前中軸距4.3 m，后雙軸距1.4 m。加載汽車沿橫向布置2輛，采取偏載的布置形式。橫向輪位布置參見圖2。

3.3 應(yīng)變測試結(jié)果

不同試驗(yàn)工況下各截面測點(diǎn)應(yīng)變及評定參數(shù)、相對殘余應(yīng)變分別見表2 和表3。其中，拉應(yīng)變?yōu)檎瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)。

由表2 可知，各測試截面測點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.59 ～0.89，表明結(jié)構(gòu)有良好的工作性能，強(qiáng)度具有一定的安全儲備。同一測試截面頂?shù)装宓膽?yīng)變橫向增大系數(shù)為1.02 ～1.07，滿足箱梁橋橫向增大系數(shù)不大于1.15的要求，表明荷載橫向分布均勻，主梁抗扭剛度大，整體性好，因偏載作用引起的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力較小。

表2 不同試驗(yàn)工況下各截面測點(diǎn)應(yīng)變及評定參數(shù)

表3 不同試驗(yàn)工況下各截面測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變

由表3可知，卸載后大部分測點(diǎn)無殘余應(yīng)變，少數(shù)測點(diǎn)出現(xiàn)殘余應(yīng)變。相對殘余應(yīng)變最大值為6%，出現(xiàn)在主跨跨中截面的箱梁底板，但遠(yuǎn)小于JTG/T J2l—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》［12］中的限值20%，表明結(jié)構(gòu)大部分位置處于彈性工作狀態(tài)。

3.4 撓度測試結(jié)果

表4 不同試驗(yàn)工況下各截面撓度及校驗(yàn)系數(shù)

不同試驗(yàn)工況下各截面測點(diǎn)撓度見圖3?？芍?，各測試截面的撓度實(shí)測值均小于理論值，且二者沿橋梁縱向的變化規(guī)律比較一致。同一測試截面上2個測點(diǎn)的撓度實(shí)測值相差較小，表明荷載橫向分布較均勻，結(jié)構(gòu)的整體性好。

圖3 不同試驗(yàn)工況下各截面測點(diǎn)撓度

4 動載試驗(yàn)

4.1 動載試驗(yàn)的內(nèi)容和方法

橋梁動載試驗(yàn)是通過測試橋梁在動載作用下的響應(yīng)，分析其固有頻率、阻尼比、振型等自振特性，以及車輛荷載作用下的位移或應(yīng)變的動力響應(yīng)，進(jìn)而分析沖擊作用。上述參數(shù)是宏觀評價(jià)橋面平整度、結(jié)構(gòu)整體剛度、運(yùn)營性能，以及耗散外部振動能量的重要指標(biāo)［13-15］。

本文采用脈動法和行車激振法進(jìn)行動載試驗(yàn)。脈動法利用周圍環(huán)境引起結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動響應(yīng)進(jìn)行自振特性測試。行車激振法通過不同車速的行車激振測定結(jié)構(gòu)的動應(yīng)變時程曲線和沖擊系數(shù)。實(shí)測沖擊系數(shù)是確定車輛荷載對橋梁動力作用的重要技術(shù)參數(shù)，反映了橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能和橋面的平整度，同時檢驗(yàn)原設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)［16］。

4.2 環(huán)境脈動試驗(yàn)

測試自振特性時，按照結(jié)構(gòu)的振型特征在變位較大位置處布設(shè)橋面拾振器。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)振型形狀，在邊跨5 等分位置和主跨8 等分位置布設(shè)DH612 型加速度傳感器，測點(diǎn)間距約7 m，加速度傳感器的有效頻率范圍為0.17 ～80 Hz，靈敏度為0.3 V/（m·s-2）。采用DH5920 動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集橋梁在環(huán)境荷載作用下的豎向振動加速度信號，采樣頻率為200 Hz，每個測點(diǎn)采樣時間為30 min。

測試該橋在環(huán)境荷載作用下的豎向加速度時程曲線，通過自功率譜分析得到結(jié)構(gòu)豎向模態(tài)頻率譜，見圖4。對試驗(yàn)?zāi)B(tài)進(jìn)行分析，識別出該橋前3階自振頻率和阻尼比，見表5。可知，該橋各階自振頻率的實(shí)測值大于理論值，表明實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較大，有較強(qiáng)的抗沖擊性能。實(shí)測豎向1 階自振頻率為2.57 Hz，阻尼比小于5%，屬于低頻、小阻尼振動。

圖4 豎向模態(tài)頻率譜

表5 振動模態(tài)參數(shù)

主橋前3 階振型見圖5?？芍Q向1 階振型呈正對稱豎彎，符合3跨連續(xù)梁橋的振型特點(diǎn)。

圖5 主橋前3階振型

4.3 無障礙行車試驗(yàn)

在橋面無障礙的情況下，一輛40 t 載重汽車分別以20，30，40 km/h 的車速勻速通過橋跨，使結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)迫振動，測試主跨跨中截面測點(diǎn)的應(yīng)變時程曲線，對車輛的沖擊作用進(jìn)行評定。每個車速工況重復(fù)2次，同一車速工況下的沖擊系數(shù)取2次試驗(yàn)的最大值。

通過測試主跨跨中在不同車速行車激振下的動應(yīng)變時程曲線，計(jì)算出各試驗(yàn)工況下的沖擊系數(shù)，見表6?？芍?，各車速工況引起的動應(yīng)變較小，實(shí)測沖擊系數(shù)為0.024～0.113，最大值出現(xiàn)在40 km/h 時，表明該橋橋面平整度好，車輛對結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)較小。設(shè)計(jì)時采用沖擊系數(shù)0.15，結(jié)構(gòu)仍是偏安全的。

表6 各車速工況下實(shí)測沖擊系數(shù)

5 結(jié)論

1）靜載試驗(yàn)中，箱梁頂?shù)装宓膽?yīng)變橫向增大系數(shù)為1.02 ～1.07，表明荷載的橫向分布均勻，主梁的抗扭剛度大，整體性好。少數(shù)測點(diǎn)出現(xiàn)相對殘余應(yīng)變，其最大值為6%，表明結(jié)構(gòu)大部分位置處于彈性工作狀態(tài)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有一定的安全儲備。

2）靜載試驗(yàn)中，撓度實(shí)測值和理論值沿橋梁縱向的變化規(guī)律比較吻合。結(jié)構(gòu)剛度具有一定的安全儲備。

3）環(huán)境脈動試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)各階自振頻率的實(shí)測值大于理論值，表明實(shí)橋整體剛度較大。實(shí)測豎向1 階自振屬于低頻、小阻尼振動，振型特征為正對稱豎彎。

4）無障礙行車試驗(yàn)中，實(shí)測的沖擊系數(shù)為0.024～0.113，表明該橋橋面平整度好，車輛對結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)較小，原設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)是偏安全的。