車輛載荷作用下橋梁結(jié)構(gòu)承載力試驗分析

惠小磊 張國強 謝 丹

（1、陜西交控市政路橋集團有限公司，陜西 西安 710065 2、西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065 3、陜西西公院工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710065）

1 橋梁工程概況

為便于理解，本文以我國某橋梁工程為例展開分析，該項目全長約787m。該橋梁的上部結(jié)構(gòu)選用連續(xù)箱梁，其材料為預(yù)應(yīng)力混凝土，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配的方式完成施工。其中，上部結(jié)構(gòu)的布置按照5×30+4×（4×30）+5×30m為標準。下部結(jié)構(gòu)則設(shè)計為柱式墩臺并借助樁基來提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過設(shè)計方案可以發(fā)現(xiàn)橋梁的景觀設(shè)計主要集中在第1～4 跨、第11～15、第23～26 跨三部分，且景觀設(shè)計以“長廊”造型為主，在表面涂刷油漆來進行美化。該項目所采用的的設(shè)計荷載標準為公路-Ⅱ級。

2 承載力試驗方案設(shè)計

綜合考慮結(jié)構(gòu)分析結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)研情況，最終將第22跨定為研究分析對象。

2.1 靜載試驗

2.1.1 內(nèi)力分析與計算。根據(jù)上文可以發(fā)現(xiàn)該項目的設(shè)計荷載等級為公路-Ⅱ級，且其上作用的人群荷載選定為3.0KN/m2?；诒卷椖吭O(shè)計方案所用的橋梁結(jié)構(gòu)型式，借助有限元分析軟件完成計算[1]，根據(jù)所繪制的包絡(luò)圖可以發(fā)現(xiàn)在上部設(shè)計荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)的最不利截面為第22 跨的0.4L斷面以及第23 跨的中斷面。同時，在橋梁結(jié)構(gòu)之上施加公路-Ⅱ級荷載進行分析得到各個截面的彎矩分布情況。遵照我國現(xiàn)行規(guī)范即可計算得到截面彎矩控制值如表1 所示。

表1 測試斷面設(shè)計荷載控制彎矩計算表

表格中彎矩值M由下式計算而得：

式中：μ 為沖擊系數(shù)；m 為車道數(shù)；φ 為車道橫向折減系數(shù)；∑yiPi指代影響線坐標與單列荷載效應(yīng)的乘積。

2.1.2 加載效率。按照本研究設(shè)定的設(shè)計荷載（公路-Ⅱ級）以及試驗荷載（4 輛重車加載）下主梁結(jié)構(gòu)中彎矩影響線的分布可以分別得出不同工況下其所相應(yīng)的彎矩值，兩者之間的比值也即加載效率[2]。根據(jù)現(xiàn)行試驗規(guī)范要求，靜載試驗應(yīng)控制加載效率在合適的范圍內(nèi)方可認定試驗為有效，其中效率系數(shù)ηq應(yīng)當在0.95-1.05 的范圍內(nèi)，其中ηq=Ss／(S×(1+μ))。

Ss- 在靜力試驗荷載下，某組試件中控制截面最大變形或最大內(nèi)力所對應(yīng)的計算效應(yīng)值；

S- 在設(shè)計荷載作用下，某組試件中控制截面最大變形或最大內(nèi)力所對應(yīng)的最不利效應(yīng)計算值（不計沖擊系數(shù)）。

在本研究中，通過試驗得出表2 所示的加載效率，其各項參數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，也即試驗加載有效。

表2 加載效率表

2.2 動載試驗

測定在車輛通過時橋梁結(jié)構(gòu)中預(yù)設(shè)測點所反饋的加速度信號，同時借助加速度振動時程信號做出初步處理，得到相應(yīng)的頻率分析[3]。

在結(jié)構(gòu)分析中，一般可采用對數(shù)衰減率δ、阻尼比Dr表征結(jié)構(gòu)的阻尼水平。為便于操作，在實際研究中可取衰減曲線中若干波計算其平均值作為衰減率。

2.3 測點布置

2.3.1 靜載試驗測點布置。為得到試驗荷載下橋梁結(jié)構(gòu)實際所發(fā)生的變形情況，在本研究中分別于第22 跨的0.4L處和第23 跨的0.5L、第18 跨的0.4L位置布置測點，分別測定其撓度、應(yīng)變情況。此外，還在22 號墩支點截面的底部及腹板處各安設(shè)了20 個測點用于得到其應(yīng)變情況。由于墩柱頂部負彎矩的最不利工況條件下所對應(yīng)的邊跨、次邊跨主梁撓曲均小于最不利工況條件下的撓曲，因此對負彎矩工況并未布置相應(yīng)的測點。

根據(jù)事先確定的貼片方案，先用粉筆在貼片位置定位，然后用角磨機打磨、擦拭干凈后逐個貼片；安裝機電百分表時，用磁力表座將機電百分表固定在支架上，調(diào)整百分表的位置，使其測頭在適當位置，最后用測試線將應(yīng)變片和機電百分表與儀器逐一連接，并作詳細記錄。安裝工作就緒后，還需要對應(yīng)變片、百分表以及導(dǎo)線等做出全面的核查，排除潛在的風(fēng)險，同時調(diào)試檢查儀器設(shè)備。

2.3.2 動載試驗測點布置。動載試驗需要分別在各跨的0.4L和0.6L位置處各設(shè)置一個測點，測定結(jié)構(gòu)所發(fā)生的加速度響應(yīng)。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范要求，采用單輛車輛按照40Km/h 的速度標準通過橋面并剎車產(chǎn)生激振，由此傳感器即可得到相應(yīng)的振動曲線，并同時借助分析軟件得到結(jié)構(gòu)的自振周期等基本參數(shù)。

2.4 試驗加載

準備好加載車輛，按加載先后順序停放于試驗橋梁以外待命，在加載前，將加載車輛分散的放在橋梁上進行預(yù)壓，以減少試驗過程中橋梁的非彈性變形的影響。按確定的試驗工況，在橋面上用粉筆標出車輛停放位置，在加載時，應(yīng)當確保試驗所用車輛停放在指定的位置。對于現(xiàn)場開展的試驗應(yīng)同時設(shè)置兩個平行的試驗組，若兩組所得到的實驗數(shù)據(jù)具有較好的擬合性，則可認為試驗數(shù)據(jù)可靠，即可結(jié)束該次試驗；若兩組試驗數(shù)據(jù)的擬合性較差，則應(yīng)當探究其成因并重新開展試驗測試。此外，在本研究中，應(yīng)當將試驗實測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)進行橫向比對。試驗加載應(yīng)當按照多級加載、逐級進行的原則，將全部荷載劃分為三個不同的等級，在每一級的荷載水平下可指揮車輛駛?cè)腩A(yù)定位置并測得其所相應(yīng)的變形情況，將其與理論分析值比對。若研判認為結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，則可再次施加下一級荷載。按照上述原則逐級加載至最大荷載后還需逐級完成卸載[4]。在靜載實驗中，為降低混凝土材料受力發(fā)生殘余應(yīng)變的不利影響，當加載至預(yù)定水平后則需要及時關(guān)閉發(fā)動機，并保持這一狀態(tài)至少10min，直至橋梁結(jié)構(gòu)的變形趨于穩(wěn)定后方可讀取傳感器的參數(shù)。而在每次卸載過程中，當車輛行駛出實驗區(qū)段后至下一次加載之前應(yīng)至少保持10min 的間隔。

3 承載力試驗結(jié)果分析

通過MIDAS建立與本研究相應(yīng)的有限元分析模型，同時測定結(jié)構(gòu)在不同工況條件下的變形、位移，核驗其動力特性。全橋共劃分為504 個節(jié)點，480 個單元。

3.1 靜載試驗結(jié)果分析

3.1.1 荷載橫向分布。該橋各梁的理論荷載橫向分布系數(shù)按剛接梁（板）法計算，根據(jù)各梁的橫向分布影響線及兩種工況下的車輛荷載在影響線上的具體位置，并以此計算得到梁體的橫向分布系數(shù)[5]。試驗研究中為計算得到橫向分布系數(shù)，一般可首先測定不同截面的撓度情況，同時采取式（2）完成計算。

式中：mi為試驗荷載下，某一量測截面第i 片主梁的荷載橫向分布系數(shù)；fi為試驗荷載下，某一量測截面i 片主梁的測點撓度；n 為主梁片數(shù)。

該橋第22 跨主梁實測橫向分布和理論值對比如圖1、圖2 所示。

根據(jù)圖1、圖2 中的曲線分布可以得出結(jié)構(gòu)在有限元分析中得到的橫向分布與試驗實測擬合性較好，也即結(jié)構(gòu)的橫向連接性良好。

圖1 第22 跨主梁橫向分布系數(shù)對比（0.4L 處中載）

圖2 第22 跨主梁橫向分布系數(shù)對比（0.4L 處偏載）

3.1.2 撓度。在本研究的撓度測試中，共計加載16 次，且對于每個不同工況均按2 次進行加載，將兩次加載下所測得的撓度取平均值認定為實測值。對不同荷載水平下梁體撓度的試驗實測值與理論分析值進行比對發(fā)現(xiàn)，實測值總體表現(xiàn)出低于理論值的分布，且遠低于L/600=50mm的規(guī)范要求值，撓度校驗系數(shù)為0.59。表明橋梁結(jié)構(gòu)整體受力狀況良好。撓度比較情況如圖3、圖4 所示。

圖3 第22 跨主梁實測撓度與計算值對比（0.4L處中載）

圖4 第22 跨主梁實測撓度與計算值對比（0.4L處偏載）

3.1.3 應(yīng)變。在本研究的應(yīng)變測試中，共計加載24 次，且對于每個不同工況均按2 次進行加載，將兩次加載下所測得的撓度取平均值認定為實測值。對不同荷載水平下梁體撓度的試驗實測值與理論分析值進行比對發(fā)現(xiàn)（如圖5、6），實測值總體表現(xiàn)出低于理論值的分布，且在中載及偏載下0.4L位置的撓度校驗系數(shù)分別為0.62、0.69，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體受力狀況良好且仍處于彈性狀態(tài)下，具有足夠的裕度儲備。

圖5 第22 跨主梁實測應(yīng)變與計算值對比（0.4L處中載）

圖6 第22 跨主梁實測應(yīng)變與計算值對比（0.4L處偏載）

3.2 動載試驗結(jié)果及分析

動載條件下的有限元分析主要借助MIDAS軟件完成，由此得到一階頻域振型如圖7 所示。

圖7 理論一階頻率振型圖

在本研究的動載試驗中，分別按照兩種不同的加載方式對結(jié)構(gòu)進行作用，其中第一種采取車輛剎車的方式，第二種則讓車輛直接穿越橋梁，這兩種不同的作用方式所產(chǎn)生的激振均具有頻帶寬和激勵強的特點[6]。試驗將傳感器所得到的數(shù)據(jù)作為標準，下面將第22 跨所發(fā)生動力響應(yīng)的時域、自功率譜信號以及阻尼比作為研究對象。得到結(jié)構(gòu)的頻率試驗實測值與理論分析之比如表3 所示。

表3 頻率與阻尼比一覽表

根據(jù)試驗實測得到的結(jié)構(gòu)基本動力特性參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：a.繪制得到的振動曲線與振動規(guī)律之間存在較好的擬合性，且在動力作用下主要為一階振動，其中豎向振動基頻的試驗實測值較理論分析值更大，上部結(jié)構(gòu)的動力特性比較好且剛度較大。b.一般而言，結(jié)構(gòu)的阻尼比參數(shù)大多局限在0.01～0.08 的范圍內(nèi)，試驗實測得到的阻尼比為0.0152，這表明結(jié)構(gòu)耗散能量的能力較好。

4 結(jié)論

在本研究中，試驗加載效率介于0.95 與1.01 之間，與規(guī)范相應(yīng)的加載要求相符，認定為有效。

4.1 通過靜載試驗可以發(fā)現(xiàn)：在不同工況下主梁結(jié)構(gòu)各個測點得到的撓度均低于理論分析值，且撓度的校驗系數(shù)介于0.44 與0.91 之間，其相對的殘余變位小于20%；此外，其他測點位置得到的應(yīng)變也均低于理論分析值，其校驗系數(shù)介于0.44 與0.96 之間，相對殘余變位小于20%；根據(jù)上述試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該橋梁具有良好靜力學(xué)性能，其各項強度均滿足要求。

4.2 通過動載試驗可以發(fā)現(xiàn)：試驗實測得到的時域曲線與理論規(guī)律之間的擬合性較好，其中阻尼比、振動時域等基本參數(shù)均滿足要求。其中，試驗實測得到的一階頻率較理論值更大，阻尼比介于0.01 與0.08 之間，這也表明結(jié)構(gòu)剛度指標符合要求。

4.3 在試驗全過程中結(jié)構(gòu)的控制截面位置均未發(fā)生明顯的開裂?？傮w來看，可認為該橋梁能夠達到公路-Ⅱ級荷載的設(shè)計標準。