單幅橋靜動力荷載試驗及結(jié)構(gòu)評定探究

郭梁威

摘 要：靜動力荷載試驗是評定橋梁工程實際承載能力的重要方法，通過試驗?zāi)軌驅(qū)蛄汗こ陶w結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性以及安全性進行評定，為橋梁工程運營的安全性評估提供可靠參考。單幅橋具有環(huán)境友好、通行能力強、安全性高、成本低等眾多優(yōu)點，在現(xiàn)代橋梁工程領(lǐng)域越來越多。本研究針對單幅橋的優(yōu)點和靜動力荷載試驗進行簡單概述，并以南浦大橋（單幅橋）為例，探究橋梁工程靜載試驗及結(jié)構(gòu)評定、動載試驗及結(jié)構(gòu)評定，根據(jù)荷載試驗結(jié)果，南浦大橋的結(jié)構(gòu)強度、整體剛度能夠滿足設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準，具有良好的行車性能。

關(guān)鍵詞：橋梁;靜動力荷載試驗;結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U446.1 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0088-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.020

Research on Static and Dnamic Load Test Cases and Structural

Evaluation of Bridge Engineering

GUO Liang wei

（Hunan Hongyu Engineering Testing Co.， Ltd.， Changsha 410000，China）

Abstract： Static and dynamic load test is an important method to evaluate the actual bearing capacity of bridge engineering. The test can evaluate the stiffness， stability and safety of the overall structure of bridge engineering， and provide a reliable reference for the evaluation of the operation safety of bridge engineering. Single span bridge has many advantages such as friendly environment， strong traffic capacity， high safety and low cost. It is more and more used in the field of modern bridge engineering. This study briefly summarizes the advantages of single span bridge and static and dynamic load test， and takes Nanpu Bridge （single span bridge） as an example to explore the bridge engineering static load test and structural evaluation， dynamic load test and structural evaluation. According to the load test results， the structural strength and overall stiffness of Nanpu Bridge can meet the design requirements and relevant codes and standards， It has good driving performance.

Keywords： bridge; static and dynamic load test; structure

0 引言

橋梁系統(tǒng)作為我國交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在推動交通運輸發(fā)展、促進經(jīng)濟發(fā)展和助力文化交流等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。橋梁工程結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，直接影響其功能和作用的發(fā)揮[2]?？茖W(xué)運用靜動力荷載試驗，能夠?qū)蛄汗こ痰倪\營荷載等級進行評定，對橋梁工程存在的安全隱患進行準確評估[3]。動載試驗?zāi)軌驅(qū)蛄菏艿絼虞d作用時的振型、振動頻率等進行檢測和評定。靜載試驗?zāi)軌驅(qū)蛄汗こ淌艿届o載作用時的位移、應(yīng)變等進行檢測和評定，進而對橋梁工程的整體承載水平、穩(wěn)定性、可靠性進行評定，為保障橋梁工程運營安全提供可靠的參考[4]。因此，針對橋梁工程靜動力荷載試驗及結(jié)構(gòu)評定的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 單幅橋以及荷載試驗概述

1.1 單幅橋的概述

單幅橋工程建設(shè)的目標(biāo)，在于保障交通運輸?shù)耐〞承裕诳沙掷m(xù)發(fā)展、低碳發(fā)展理念的背景下，如何在保障橋梁工程正常通行的基礎(chǔ)上，盡可能地減少占用土地面積、節(jié)省資金投入，成為橋梁行業(yè)以及社會各界廣泛關(guān)注的焦點。

1.2 靜動力荷載試驗概述

橋梁工程的靜動力荷載試驗，由靜載試驗和動載試驗兩部分組成，主要是對橋梁工程的某結(jié)構(gòu)、部件等施加靜力荷載、動力荷載，并采用相關(guān)儀器設(shè)備檢測結(jié)構(gòu)、部件在施加靜動力荷載后的變化。例如用BGK-408讀數(shù)儀、BGK-4000應(yīng)變數(shù)碼傳感器、DINI03電子水準儀、DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)以及ZC3-A回彈儀等，對橋梁工程的動荷載受力情況、靜荷載受力情況、混凝土強度、橋梁外觀等進行檢測。應(yīng)用靜動力荷載試驗檢測橋梁工程，能夠準確地判斷橋梁工程是否存在安全隱患、質(zhì)量隱患等，判定橋梁工程的承載水平。

2 案例概況

本研究以南浦大橋為例。該橋位于廣州市番禺區(qū)鄉(xiāng)道Y881線，中心樁號為K0+317，該橋為單幅橋，橋梁全長332.0 m，共15跨，跨徑組合為：6×16.0 m+（40.0+60.0+40.0）m+6×16.0 m;橋面總寬11.70 m，橫向布置為：0.25 m（左側(cè)欄桿）+1.20 m（左側(cè)人行道）+8.80 m（行車道）+1.20 m（右側(cè)人行道）+0.25 m（右側(cè)欄桿），橋面鋪裝層為瀝青混凝土，雙向2車道。

3 橋梁工程靜動力荷載試驗以及結(jié)構(gòu)評定

3.1 橋梁工程靜載試驗及結(jié)構(gòu)評定

3.1.1 橋梁工程靜載試驗方案。在設(shè)計橋梁工程靜載試驗方案時，應(yīng)充分考慮該橋梁工程的結(jié)構(gòu)特征和檢測條件，采用Midas Civil有限元分析軟件創(chuàng)建主橋的計算模型。

進行靜載試驗方案設(shè)計時，應(yīng)遵循《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ 21-01—2015）和《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ 21—2011）的規(guī)定，不僅需要保證全面檢測橋梁工程承載能力，還需要保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性。靜載試驗公式如式（1）。

[SsS（1+μ）=ηq]? ? ?（1）

式中：μ表示根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）選取的沖擊系數(shù)值;S為最不利效應(yīng)計算值;Ss為靜載試驗條件下，加載試驗內(nèi)容對應(yīng)的加載控制截面位移、內(nèi)力的最大計算效應(yīng);ηq表示效率系數(shù)。

為了提高橋梁工程靜載試驗檢測過程的安全性，需要對整個加載過程進行全面的安全加載處理，嚴格按照既定的加載方案進行逐步加載。靜載試驗開始時需要先開一輛車，對控制點進行動態(tài)檢測，然后再進行第二輛、第三輛、第四輛車的加載。如果在加載的過程中出現(xiàn)橋體異常響動、橋體晃動、橋體變形、裂縫明顯增加、變形和應(yīng)變值超過計算值等情況，需要立刻停止加載，對導(dǎo)致出現(xiàn)上述情況的原因進行排查，排除隱患之后再繼續(xù)進行加載處理。

在進行靜載加載試驗時，要盡量提高加載荷載效率，并且做好加載工況簡化工作。如果試驗條件相同、目標(biāo)相同，則要做好合并加載，這樣做既能夠降低加載數(shù)量，又能夠減少工作量，加載試驗時采用主試驗項目+附試驗項目聯(lián)合檢測的方式，便于提高靜載加載試驗效率。

靜載試驗檢測的內(nèi)容和載位、工況表現(xiàn)有三點。一是第1跨跨中界面最大正彎應(yīng)變和撓度（工況1）根據(jù)橋梁工程現(xiàn)場的試驗條件，并遵循等代效應(yīng)，對該種工況進行加載試驗，選擇4輛載重車，采用分級加載的方式，將2輛載重車并列放置在橋梁的跨中和牛腿處之間，距離人行道邊緣0.5 m，其他2輛載重車靠后4.0 m放置，4輛載重車均滿載之后靜置30～60 min。卸載后再觀察30～60 min。二是第7墩頂跨截面最大負彎矩應(yīng)變（工況2），載重車結(jié)構(gòu)與工況1基本相同，區(qū)別在于載重車位于橋梁邊緣10.1 m的位置。三是第8跨掛梁跨中界面最大正彎矩應(yīng)變和撓度（工況3），位置布置，載重車布置如圖1所示，圖1中①車為一級加載、①②車為二級加載、①②③車為三級加載、①②③④車為四級加載。

在進行靜載試驗測點布置時，需要根據(jù)試驗?zāi)繕?biāo)，保證測點布置的充分性，為保證試驗結(jié)果的有效性，需要選擇具有代表性的測點。為提高測點數(shù)據(jù)結(jié)果的準確性，還需要做好測點設(shè)置工作，對測點結(jié)果進行校對和驗證。測點布置工作主要包括應(yīng)變測點和撓度測點兩部分。在進行應(yīng)變測點布置時，充分考慮靜載試驗的目標(biāo)和要求，保證測點數(shù)量充足，工況1截面設(shè)置28個應(yīng)變測點，工況2截面設(shè)置24個應(yīng)變測點，工況3設(shè)置25個應(yīng)變測點，工況3位置如圖2所示。在進行撓度測點布置時，充分考慮橋梁工程現(xiàn)場的具體情況設(shè)置撓度測點，工況1和工況3的撓度測點位置布置為：工況1在跨中處間隔220 mm設(shè)置5個測點，在跨中處的前后人行道邊緣位置分別設(shè)置4個測點，總共設(shè)置13個撓度測點;工況3在跨中處間隔220 mm設(shè)置5個測點，在牛腿處設(shè)置4個測點，在牛腿處和跨中處之間設(shè)置4個測點。

3.1.2 橋梁工程靜載試驗結(jié)構(gòu)評定。南浦大橋靜載試驗結(jié)果表現(xiàn)如下。一是工況1的撓度結(jié)果分析，對各級荷載狀況下所有撓度測點進行檢測，滿載條件時，C3測點的撓度是5.95 mm，卸載之后，彈性撓度和殘余撓度分別是5.65 mm、0.30 mm，將支座對測點產(chǎn)生的影響去除，彈性撓度變?yōu)?.09 mm，計算可知相對殘余值小于20%。應(yīng)變結(jié)果分析，在滿載條件下，C4的應(yīng)變值是197.9 με，卸載之后，彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變分別為195.2 με和2.7 με，計算可知相對殘余值小于20%。二是工況2的應(yīng)變結(jié)果分析，在滿載條件下，對B界面所有應(yīng)變測點進行檢測，B4在滿載狀態(tài)下的應(yīng)變值是-24.2 με，卸載之后，彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變分別為-25.7 με和1.5 με，計算可知相對殘余值小于20%。三是工況3的撓度結(jié)果分析，在各級荷載情況下對A截面所有撓度測點數(shù)值進行檢測，在滿載條件下，A3測點的撓度是15.76 mm，卸載之后，彈性撓度和殘余撓度分別是15.59 mm、0.17 mm，計算可知相對殘余值小于20%。應(yīng)變結(jié)果分析，對各級荷載狀況下所有應(yīng)變測點數(shù)值進行檢測，A4測點的應(yīng)變是14.32 με，卸載之后，彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變分別為13.55 με和7.7 με，計算可知相對殘余值小于20%。

橋梁工程靜載試驗結(jié)構(gòu)評定：工況1、工況2、工況3的設(shè)計彎矩值分別為613.44 kN·m、

-17 400.00 kN·m、3 750.00 kN·m，試驗荷載分別為597.60 kN、-17 931.20 kN、3 668.00 kN，根據(jù)公式（1）計算可知，工況1、工況2、工況3的試驗荷載效率分別為0.97、1.03、0.98。通過荷載試驗，工況1、工況3所有測點的撓度校驗系數(shù)、應(yīng)變都不超過1，相對殘余撓度比和相對殘余應(yīng)變比都不超過20%;工況2所有測點的相對殘余難度比、相對殘余應(yīng)變比都不超過20%?？傊N工況都滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）和《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）要求。

3.2 橋梁工程動載試驗及結(jié)構(gòu)評定

3.2.1 橋梁工程動載試驗方案。動載試驗直接關(guān)系到橋梁工程運營的安全性，為了能夠提升橋梁運行的穩(wěn)定性，需要采用動載試驗對橋梁工程的正常運營能力進行評定，主要采用全橋車輛激勵、自然激勵兩個方面進行動力荷載檢測，分別對主橋和第1跨進行動載試驗，第1跨動載試驗結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主橋動載試驗結(jié)構(gòu)與第1跨電磁振動傳感器的布置結(jié)構(gòu)相同。本橋梁動載試驗主要針對第1跨和第8跨實施動載加載試驗。動載試驗的內(nèi)容主要包括跳車試驗項目、剎車試驗項目、跑車試驗項目以及脈動試驗項目，具體表現(xiàn)如下。①跳車試驗項目，跳車試驗時既需要保證動載試驗結(jié)果的有效性，還要保證車輛行駛的安全性，因此將墊木高度設(shè)置為15 cm。將墊木放置在跨橋中間，車輛后輪從墊木上自由下落，對橋梁路面進行跳壓，對跳車試驗過程中橋梁的阻尼、振動頻率等進行檢測。②剎車試驗項目，進行該項試驗時，為了保證車輛安全，加載車輛以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度勻速行駛，行駛到測試路面位置后進行緊急剎車，車輛與橋梁路面摩擦的過程中，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊作用，導(dǎo)致產(chǎn)生振動現(xiàn)象。③跑車試驗項目，在進行該項試驗時，為了保證車輛和人員安全，加載車輛以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度勻速行駛，沿著中心線通過橋梁，加載車輛在行駛階段對橋梁形成一定的沖擊效應(yīng)，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)振動現(xiàn)象。④脈動試驗項目，該項試驗主要是對非交通荷載條件下的動態(tài)荷載效應(yīng)進行檢測，即河水流動、地脈運動以及風(fēng)荷載等因素隨機荷載，會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載激振，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定幅度的振動，采用速度傳感器、高靈敏動力測試系統(tǒng)對上述荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比、自振頻率等進行檢測。

3.2.2 橋梁工程動載試驗結(jié)構(gòu)評定。動載試驗主要針對主橋和第1跨，具體的實驗結(jié)果表現(xiàn)為以下兩個方面。①主橋動載試驗結(jié)果分析。為了研究主橋的動載試驗，采用計算模態(tài)分析方法，能夠?qū)χ鳂虻哪B(tài)振型、阻尼比以及頻率等進行準確檢測。根據(jù)南浦大橋的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場條件，在主橋的多個位置設(shè)置電磁振動傳感器，對跳車、剎車、跑車、自然脈動等條件下的動載試驗進行檢測。針對跑車動載試驗結(jié)果，在以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h速度勻速跑車條件下，橋梁的實測頻率分別為4.102 Hz、3.906 Hz、3.906 Hz、3.906 Hz;在以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度剎車時，橋梁的實測頻率分別為4.102 Hz、4.102 Hz、3.906 Hz、4.102 H z。在跨中跳車荷載試驗項目中，實測頻率為4.102 Hz;在自然脈動荷載試驗項目中，實測頻率為4.102 Hz。②第1跨動載試驗結(jié)果分析，與主橋動載試驗相同，也采用計算模態(tài)分析方法。針對跑車動載試驗結(jié)果，在以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h速度勻速跑車條件下，橋梁的實測頻率分別為7.031 Hz、6.836 Hz、7.031 Hz、7.031 Hz;在以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度剎車時，橋梁的實測頻率分別為6.836 Hz、7.031 Hz、6.836 Hz、6.836 Hz。在跨中跳車荷載試驗項目中，實測頻率為7.031 Hz;在自然脈動荷載試驗項目中，實測頻率為6.836 Hz。

通過對主橋動載試驗結(jié)果進行分析，跳車實測頻率為4.102 Hz，剎車的實測頻率為3.906～4.102 Hz，跑車的實測頻率為3.906～4.102 Hz，自然脈動的實測頻率為4.102 Hz。和理論值相比，實測頻率和理論值的比值超過1.1，由此可知各種動載對橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響程度較小，不會對橋梁運行安全產(chǎn)生顯著影響。通過對第1跨動載試驗結(jié)果進行分析，跳車實測頻率為7.031 Hz，剎車的實測頻率為6.836～7.031 Hz，跑車的實測頻率為6.836～7.031 Hz，自然脈動的實測頻率為6.836 Hz。和理論值相比，實測頻率和理論值的比值超過1.1，表明上述四種動載對橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響程度較小，即使受到不同動載的影響，南浦大橋依然可以安全、可靠地運行，不會對車輛、行人安全產(chǎn)生威脅。

4 結(jié)論

綜上所述，單幅橋以其獨特的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代橋梁工程行業(yè)的重要組成部分。靜動力荷載試驗作為評定橋梁工程承載能力、安全性、剛度等的科學(xué)方法之一。本研究以南浦大橋為例，探究其試驗方案和評定結(jié)果，得出以下結(jié)論。

①橋梁工程靜荷載試驗時，需要考慮橋梁工程的結(jié)構(gòu)特征和檢測條件，采用Midas Civil有限元分析軟件，科學(xué)設(shè)計靜載試驗方案，工況1、工況2以及工況3，相對殘余撓度比、相對殘余應(yīng)變均小于20%，符合相關(guān)規(guī)范和要求，表明各級靜載試驗結(jié)果對橋梁工程的影響較小，不會對橋梁正常運行產(chǎn)生威脅。

②橋梁工程動載試驗時，需要采用計算模態(tài)分析方法，主橋和第1跨的實測頻率和理論值的比值超過1.1，各種動載對橋梁工程結(jié)構(gòu)安全沒有顯著影響。

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