某V 撐剛構(gòu)橋荷載試驗研究

韓保衛(wèi)HAN Bao-wei

（中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司，渭南 714000）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋起源于德國，歷史悠久，由于其受力合理施工簡便被廣泛建造，中國第一座連續(xù)剛構(gòu)橋于20 世紀(jì)八十年代建成，經(jīng)過幾十年的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)十分成熟，且演變出眾多類型，本橋作為景觀橋也可看作連續(xù)剛構(gòu)橋的一個變種。荷載試驗作為橋梁投入使用前驗收的一項重要指標(biāo)，對橋梁整體性能的評定具有重要的意義，經(jīng)過對該橋進(jìn)行外觀檢查與靜載試驗等現(xiàn)場工作與大量的理論計算、數(shù)據(jù)分析、歸納和整理，可對該橋的技術(shù)狀況、承載能力檢測進(jìn)行評定及建議，完成預(yù)訂的各項檢測任務(wù)。另外，也能對成橋后運營階段的養(yǎng)護(hù)與維修提供基礎(chǔ)資料。

1 工程概況

某市景觀橋一座，總長49.16m，采用雙幅設(shè)計，橋孔布置為12m+20m+12m，橫斷面布置與道路相同為5.5m（人行道）+22m（行車道）+5.5m（人行道）=33m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用12m+20m+12m 鋼筋混凝土板拱結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用墻式墩。梁橋總體布置圖如圖1 所示。

圖1 橋梁總體橋梁布置圖

道路等級為城市次干路，設(shè)計車速30km/h，橋梁設(shè)計荷載等級：城-A 級。

2 試驗內(nèi)容

2.1 外觀檢測

橋梁外觀的檢測分為三部分，即：橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。橋面系主要包括：橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、人行道欄桿、防排水系統(tǒng)、照明、標(biāo)志、橋面線形等；上部結(jié)構(gòu)主要包括：主梁和支座；下部結(jié)構(gòu)主要包括橋臺、橋墩等。

2.2 靜載試驗

本次荷載試驗選定此橋左幅作為加載和測試的主要橋孔結(jié)構(gòu)；選定其它橋孔作為輔助驗證加載和測試橋孔結(jié)構(gòu)。該橋各控制截面及測試項目如圖2 和表1 所示。

圖2 加載和測試截面布置示意圖

表1 控制截面加載情況與測試項目表

①應(yīng)變測試。采取在箱梁梁底測試位置粘貼電阻應(yīng)變片，由電阻應(yīng)變片將結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號，通過電阻應(yīng)變測試系統(tǒng)接收和放大又將電信號以微應(yīng)變值給出測試結(jié)果。根據(jù)各斷面測試內(nèi)容，應(yīng)力（應(yīng)變）測點布置如圖3所示。

圖3 應(yīng)力（應(yīng)變）測點布置圖

②撓度（變形）測試。通過在梁體測試斷面設(shè)置變形測點，用高精度全站儀進(jìn)行測量。根據(jù)各斷面測試內(nèi)容，變形測點布置如圖4 所示。

圖4 變形測點布置圖

注：圖4 適用于A-A、C-C、D-D、E-E、F-F 截面位移測點布置，每斷面設(shè)3 個變形測點。

③裂縫測試。裂縫檢測包括裂縫長度、寬度和深度檢測。采用合格的量尺量測裂縫長度，采用讀數(shù)顯微鏡量測 裂縫寬度，采用非金屬超聲波檢測分析儀檢測裂縫深度。裂縫寬度和深度檢測方法分別見圖5、圖6 所示。

圖5 裂縫寬度測試示意圖

圖6 裂縫深度測試示意圖

2.3 動載試驗

對該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行動載試驗測試，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力特性參數(shù)，并結(jié)合理論分析結(jié)果，綜合評定橋梁結(jié)構(gòu)動力特性。①脈動試驗，利用自然環(huán)境，如大地脈動、風(fēng)荷載等對橋梁的激勵，測試橋梁的動力參數(shù)，如自振頻率、阻尼比等。②行車試驗，以一輛重約40t 車輛以不同速度通過橋梁，記錄余振波形，測試橋梁動力響應(yīng)，如沖擊系數(shù)等。

3 模型建立

此為混凝土連續(xù)箱梁橋，整個橋梁主要受力結(jié)構(gòu)由主梁、橋墩、橋臺和基礎(chǔ)組成。為了能夠真實地反映橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力狀態(tài)，本次使用有限元程序—MIDAS 建立空間有限元模型，對其進(jìn)行靜力計算和分析。

通過MIDAS 軟件建立有限元模型的主要步驟如下：①結(jié)構(gòu)離散化。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和選定的單元類型，劃分單元和結(jié)點，并對結(jié)點和單元予以編號。②結(jié)構(gòu)描述，選定整體坐標(biāo)系。輸入確定結(jié)構(gòu)幾何、材料、荷載和支承條件的全部數(shù)據(jù)和各種信息以及有關(guān)的控制變量等參數(shù)。③單元特性計算。根據(jù)單元類型、單元結(jié)點號和結(jié)點坐標(biāo)系以及有關(guān)信息，分別算出局部坐標(biāo)系下的單元剛度矩陣和等效結(jié)點荷載等。④組集結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和荷載總矢量。⑤求解結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程組計算所有的未知結(jié)點位移。⑥根據(jù)單元結(jié)點位移和單元剛度矩陣計算各個單元應(yīng)力。⑦求解結(jié)構(gòu)的動力平衡方程組（特征值方程）可得到結(jié)構(gòu)的自振頻率（周期）和振型等參數(shù)。

該橋上部結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖7 所示。

圖7 橋梁計算模型

對該橋控制截面進(jìn)行最不利加載，計算各種工況下結(jié)構(gòu)的理論變形與應(yīng)力。

4 試驗過程及測試結(jié)果

①靜力試驗選擇在氣溫變化不大和結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定的時間段內(nèi)進(jìn)行；②靜力試驗荷載持續(xù)時間，原則上取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到相對穩(wěn)定所需要的時間，只有結(jié)構(gòu)變位達(dá)到相對穩(wěn)定后，才能進(jìn)入下一荷載試驗階段。一般每級荷載到位后穩(wěn)定10 分鐘即可測讀；③全部測點在正式加載試驗前均應(yīng)進(jìn)行零級荷載讀數(shù)，以后每次加載或卸載后應(yīng)讀數(shù)一次。試驗時選在結(jié)構(gòu)變位較大的測點，每隔5 分鐘觀測一次，以觀測結(jié)構(gòu)變位是否達(dá)到相對穩(wěn)定；④若在加載試驗過程中發(fā)生下列情況之一時，應(yīng)立即終止加載試驗：1）控制測點應(yīng)力超過計算值并且達(dá)到或超過按規(guī)范安全條件反算的控制應(yīng)力時；2）控制測點變位超過規(guī)范允許值時；3）由于加載試驗使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常的損傷或局部發(fā)生損壞，影響橋梁承載能力和今后正常使用時。

4.1 試驗過程

靜載試驗工況按照本橋的內(nèi)力影響線和位移影響線確定。現(xiàn)場靜載試驗按照控制截面設(shè)計荷載的內(nèi)力（位移）等效加載，則采用3 輛40 噸的試驗車輛。

為確保試驗加載過程中結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)本橋的實際情況和理論分析結(jié)果，先采用兩輛車在1/4 斷面加載，然后通過分析對比試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，確認(rèn)結(jié)構(gòu)安全的情況下再在跨中位置加載，最后再進(jìn)行三輛車加載。

根據(jù)測試內(nèi)容，全橋靜載試驗共分為7 個荷載工況，分別如下所示：工況1：第1 跨2L/4 雙車對稱加載；工況2：第2 跨L/4 雙車對稱加載；工況3：第2 跨2L/4 雙車對稱加載；工況4：第2 跨2L/4 三車偏心加載；工況5：第2跨L/4 三車偏心加載；工況6：第1 跨L/2 三車偏心加載；工況7：卸載（殘余變形）。

4.2 應(yīng)變（應(yīng)力）測試結(jié)果

工況1 下各控制截面應(yīng)力（應(yīng)變）理論值、實測值及校驗系數(shù)如表2 所示，表中“+”表示拉應(yīng)力，“-”表示壓應(yīng)力）。通過對該上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力實測結(jié)果與相應(yīng)的理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析后可以得到以下結(jié)論：①該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力的實測計算值小于混凝土抗拉設(shè)計值，說明結(jié)構(gòu)混凝土表面本身完好；②該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力校驗均小于1（0.6～0.9），表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好；③由以上對應(yīng)力測試結(jié)果的分析可知：該橋的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

表2 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數(shù)

4.3 變形測試結(jié)果（表3、表4）

表3 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數(shù)

表4 卸載后的殘余應(yīng)變及相對殘余應(yīng)變表

通過對該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面位移實測結(jié)果與相應(yīng)的理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析后可以得到以下結(jié)論：①在各種工況作用下，該橋上部結(jié)構(gòu)各測試截面實測變形值均小于計算跨徑的L/800，橋梁處于小變形狀態(tài)。②在試驗荷載作用下，該橋控制截面的實測位移值小于于理論計算值，即位移校驗系數(shù)小于1.0（0.7～1.0），說明該橋的靜力剛度良好。③結(jié)構(gòu)最大相對殘余變位值小于20%，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，判定荷載試驗過程中橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。④整個靜載試驗過程中，各測點的豎向位移均未發(fā)生較大異常變化。⑤由以上分析結(jié)果可以得出，該橋主梁結(jié)構(gòu)靜力剛度良好。

4.4 裂縫測試結(jié)果

試驗前對全橋上下部結(jié)構(gòu)是否存在有裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等情況進(jìn)行核查記錄，核查結(jié)果顯示，未發(fā)現(xiàn)上述情況，故本次試驗中不進(jìn)行裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等發(fā)展情況進(jìn)行觀察和測試。

4.5 動載測試結(jié)果

通過現(xiàn)場脈動試驗及理論計算，得出該橋自振頻率的理論值、實測值如表5 所示，豎向功率譜密度曲線如圖8所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)動力特性狀態(tài)指標(biāo)評定結(jié)果見表6所示。

圖8 豎向功率譜密度圖

表5 該橋自振頻率理論值、實測值列表

表6 該橋阻尼比實測值

本次沖擊系數(shù)采用實測動位移時程曲線計算各車速的行車沖擊系數(shù)1+μ，各車速的行車沖擊系數(shù)1+μ 如表7

表7 行車沖擊系數(shù)理論計算值與實測值對照表

所示。動位移時程曲線及跑車時程曲線如圖9、圖10 所示。

圖9 動位移時程曲線

圖10 跑車試驗時程圖

綜上所述：

①本橋的沖擊系數(shù)滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》、《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》評定的要求，是安全的；②本橋的跑車、剎車和跳車實測動撓度較小，滿足橋梁的運營安全要求和相關(guān)規(guī)程的規(guī)定；③本橋的自振頻率大于理論頻率值，說明該橋動力剛度滿足要求。

5 結(jié)語

荷載試驗?zāi)軌蚓苡行У臋z測橋梁的受力狀態(tài)，通過橋梁外觀、靜載、動載等的試驗，對其應(yīng)變、撓度、裂縫等項目有著很好的檢測效果，且操作簡便，所以被作為橋梁投入使用前的一種驗收手段而廣泛使用。