連續(xù)梁橋靜動載試驗研究

張文光

摘 要：為了評價在役橋梁的承載能力和技術狀況，檢驗其實際狀態(tài)和工作性能，本文對某預應力混凝土連續(xù)箱梁橋進行靜動載試驗分析。其間通過靜載試驗測試各控制截面的應力狀態(tài)和撓度變形，通過脈動試驗、無障礙行車試驗和剎車、跳車試驗研究橋梁的自振特性和阻尼比，分析不同車速、不同車況下結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，并依據(jù)相關規(guī)范對靜動載試驗結(jié)果進行評價。動靜載試車分析表明，該橋的承載能力滿足要求，具有一定的安全儲備，結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)，可以繼續(xù)正常使用。

關鍵詞：預應力混凝土;連續(xù)箱梁橋;靜動載試驗

中圖分類號：U446.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0108-03

Abstract： In order to evaluate the carrying capacity and technical condition of the in-service bridge， and test its actual state and working performance， this paper conducts static and dynamic load test analysis on a prestressed concrete continuous box girder bridge.In the meantime， the stress state and deflection deformation of each control section are tested through static load test， and the natural vibration characteristics and damping ratio of the bridge are studied through pulsation test， obstacle-free driving test and braking and jumping test， and the impact coefficient of the structure under different vehicle speeds and different vehicle conditions is analyzed， and the static and dynamic load test results are evaluated according to relevant specifications. The analysis of the static and dynamic load test shows that the bearing capacity of the bridge meets the requirements， has a certain safety reserve， and the structure is in good working condition and can continue to be used normally.

Keywords： prestressed concrete;continuous box girder bridge;static and dynamic load test

隨著橋梁服役時間的增加，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷和病害，嚴重影響橋梁的承載能力和安全運營[1]。為了檢驗在役橋梁的受力狀況和承載能力是否符合設計要求，為后續(xù)養(yǎng)護和維修提供理論依據(jù)，要對橋梁進行荷載試驗，將試驗結(jié)果作為結(jié)構(gòu)性能是否達到設計要求的重要指標[2]。橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，通過對橋梁施加相當于設計荷載的試驗荷載測試橋梁控制截面的力學特性和動力響應，是一種鑒定橋梁承載能力、評價橋梁現(xiàn)狀的重要手段[3-4]。現(xiàn)有橋梁荷載試驗研究在靜載試驗中通過控制截面的應力、應變和撓度校驗系數(shù)來評價橋梁的承載能力，通過測點的相對殘余應變來評價橋梁的彈塑性工作狀態(tài);通過動載試驗中結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)等評價橋梁的動力特性[5]。本文以某在役預應力混凝土連續(xù)箱梁橋為工程背景，開展靜載試驗和動載試驗，分析橋梁的強度、剛度、動力響應等技術指標，評價結(jié)構(gòu)的承載能力和工作性能，為后續(xù)橋梁的養(yǎng)護和維修提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某橋梁中心樁號為K25+936.00，主橋為47 m+80 m+47 m預應力混凝土連續(xù)箱梁。橋面寬度為0.500 m（防撞護欄）+15.197 m（行車道）+0.606 m（中央分隔帶護欄）+15.197 m（行車道）+0.500 m（防撞護欄）。主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用薄壁墩，基礎采用承臺接樁基，樁徑為1.6 m。主跨過渡墩柱徑為1.8 m，樁徑為2.0 m。荷載設計為公路-Ⅰ級。橋型布置如圖1所示，數(shù)據(jù)單位均為厘米（cm）。

2 靜載試驗

2.1 試驗截面與測點布置

2.1.1 試驗截面布置。通過有限元軟件Midas/Civil對主橋進行結(jié)構(gòu)靜力分析，依據(jù)計算所得的活載內(nèi)力包絡圖和撓度包絡圖，確定結(jié)構(gòu)的最大彎矩截面和最大撓度截面，由此確定試驗測試截面。根據(jù)分析選定橋梁測試截面，其分別為10#～11#墩跨中截面（A-A）、11#墩墩頂附近截面（B-B截面）、11#～12#墩跨中截面（C-C截面）。試驗截面布置如圖2所示。數(shù)據(jù)單位均為厘米（cm）。

根據(jù)控制截面的彎矩影響線，按照截面彎矩等效原則設計試驗荷載工況，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）中試驗荷載效率為0.85～1.05的要求。靜載試驗工況與控制截面對應，如表1所示。

2.1.2 測點布置。一是應變測點布置，二是撓度測點布置。

①應變測點布置。應變測點沿縱橋向布置于A-A、B-B、C-C截面，每個截面各布置5個測點，如圖3所示。

②撓度測點布置。撓度測點設在橋面上，沿縱橋向布置于A-A、C-C截面，每個截面各布置10個測點，如圖4所示。

2.2 靜載試驗測試結(jié)果

2.2.1 應變測試結(jié)果。不同工況下各截面測點應變?nèi)绫?所示，其中，拉為正，壓為負。由表2可知，各測試截面測點的應變實測值均小于理論值，應變校驗系數(shù)為0.65～0.78;相對殘余應變?yōu)?.8%～12.4%，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）規(guī)定的20%。以上試驗結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，變形恢復良好，且處于彈性工作狀況。

根據(jù)表2繪制各工況下截面測點應變分布圖，如圖5所示。由圖5可得，各測點應變變化趨勢與理論值基本一致，且各應變測點實測值小于理論值，這說明各截面各測點變形協(xié)調(diào)。

2.2.2 撓度測試結(jié)果。不同試驗工況下各截面撓度及校驗系數(shù)如表3所示。其中，撓度以向上為正，向下為負。

由表3可知，A-A截面和C-C截面各測點最大撓度校驗系數(shù)都為0.74，小于1。這表明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度具有一定的安全儲備。

3 動載試驗

3.1 結(jié)構(gòu)動力分析

為獲得結(jié)構(gòu)的動力特性，保證試驗的有效性，動力荷載試驗前對其進行動力分析，得出結(jié)構(gòu)的自振頻率。利用有限元軟件Midas/Civil對結(jié)構(gòu)進行動力分析，得出主橋的理論基頻為1.593 Hz，豎向1階振型圖如圖6所示。

根據(jù)式（1），可計算汽車荷載的沖擊系數(shù)。

式中：[μ]為汽車荷載的沖擊系數(shù);[f]為主橋的理論基頻，Hz。

已知主橋的理論基頻為1.593 Hz，則[μ]=0.067。

結(jié)合有限元分析結(jié)果，全橋共使用6個加速度傳感器，全部為V向，其分別布置在第11、12跨的L/4、L/2、3L/4截面（[L]為主橋長度），并布置在橋面外側(cè)、護欄內(nèi)側(cè)。橋梁動撓度測試測點布置在第11跨的最大正彎矩處。

3.2 結(jié)構(gòu)動力特性的測定

通過脈動試驗、無障礙行車試驗和剎車、跳車試驗研究橋梁的自振特性和阻尼比，分析不同車速、不同車況下結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，以宏觀評定橋梁的剛度、耗散外部振動能量的能力以及橋面的平整度。

3.2.1 結(jié)構(gòu)固有頻率的測定。通過環(huán)境激勵法采集測點時域信號，并對其進行快速傅立葉分析，以獲得各通道的頻譜圖。利用傳遞函數(shù)法對選擇的頻率峰值進行參數(shù)識別，求得該橋自振頻率（2.734 Hz）。與理論計算結(jié)果對比分析可得，脈動試驗測得的橋梁固有頻率為2.734 Hz，大于理論計算固有頻率1.593 Hz，表明結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論剛度。

3.2.2 阻尼比測定。根據(jù)20 km/h跑車試驗過程中測得的車輛荷載激振作用下的橋梁振動衰減曲線，可得平均衰減率（[δa]）為0.096。據(jù)此計算阻尼比，具體公式為：

式中，[ξ]為阻尼比。

代入相關參數(shù)值，可得[ξ]=0.015，即阻尼比為1.5%，在正常范圍以內(nèi)，表明該橋結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力較好。

3.2.3 沖擊系數(shù)測定。沖擊系數(shù)（1+[μ]）綜合反映了荷載對橋梁的動力作用。跑車試驗期間，質(zhì)量45 t的汽車分別以10、20、30、40 km/h的速度勻速通過橋跨，然后以30 km/h和10 km/h的速度進行剎車和跳車工況測試，使結(jié)構(gòu)發(fā)生強迫振動，通過所測的時程曲線計算各試驗工況下的沖擊系數(shù)，如表4所示。

由表4可知，在進行無障礙跑車試驗時，實測沖擊系數(shù)小于理論值，這表明橋面平整度好，車輛對橋梁的沖擊作用較小。而在進行剎車試驗和跳車試驗時，實測沖擊系數(shù)大于理論值，這說明在不良路況下車輛對橋梁的沖擊作用會增大。

4 結(jié)論

靜載試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的強度和剛度具有一定的安全儲備，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。動載試驗結(jié)果表明，橋梁固有頻率大于理論計算固有頻率，結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論剛度，該橋結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力較好，橋面平整度好，在不良路況下，車輛對橋梁的沖擊作用會增大，危害橋梁安全。動靜載試車分析表明，該橋的承載能力滿足要求，具有一定的安全儲備，結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)，可以繼續(xù)正常使用。

參考文獻：

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