基于靜動(dòng)載試驗(yàn)的鋼板組合梁橋承載能力評(píng)定研究

沈 達(dá) （安徽省七星工程測(cè)試有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)橋梁建設(shè)的需求也日益突出。為了提升橋梁的建造水平及速度，采用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配式的建造理念已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁建設(shè)的一個(gè)趨勢(shì)，通過(guò)工廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝的建造模式，不僅能夠提高橋梁的建設(shè)速度，同時(shí)有利于確保橋梁的施工質(zhì)量。鋼板組合梁橋作為新型橋梁結(jié)構(gòu)之一，目前在我國(guó)橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛的推廣和應(yīng)用。這類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)通過(guò)混凝土橋面板將荷載傳遞給下部鋼主梁，由鋼梁承受荷載引起的內(nèi)力及變形[1-4]。盡管對(duì)這類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)的受力模式及理論研究已經(jīng)取得了許多研究成果，但對(duì)該類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的研究相對(duì)較少，因此，為了探究該類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的受力性能，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究[5-7]。

荷載試驗(yàn)方法是橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定最常用的方法之一，該方法通過(guò)對(duì)試驗(yàn)荷載作用下橋梁響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。其中，靜載作用下主要測(cè)試的橋梁參數(shù)包括關(guān)鍵受力截面的應(yīng)變及撓度，動(dòng)載試驗(yàn)主要通過(guò)獲得橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)及沖擊系數(shù)，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)是否滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。例如，胡銀鵬[8]通過(guò)成橋荷載試驗(yàn)，對(duì)某大跨徑混凝土斜拉橋的承載能力進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明利用荷載試驗(yàn)方法能夠直觀(guān)、可靠地實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定。王寶梁等[9]采用荷載試驗(yàn)方法對(duì)某老化橋梁的承載能力進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)定，該研究通過(guò)有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)該橋梁承載能力的評(píng)定，并為后續(xù)橋梁的養(yǎng)護(hù)維修提供重要參考依據(jù)。王文強(qiáng)[10]結(jié)合荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)利用三類(lèi)校驗(yàn)系數(shù)對(duì)某鋼混組合梁斜拉橋的承載能力進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明該方法能夠直觀(guān)地對(duì)橋梁實(shí)際承載能力進(jìn)行量化。

為了探究該類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的受力性能，本文以G40 高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃_(kāi)展鋼板組合梁橋的荷載試驗(yàn)，探明此類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的真實(shí)校驗(yàn)系數(shù)及沖擊系數(shù)，為鋼板組合梁橋的安全運(yùn)營(yíng)及承載能力評(píng)定提供重要參考。

1 工程概況

G40 高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁橋上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為2m×30m 和4m×30m 兩種布置方式，橋梁下部采用鋼管樁基礎(chǔ)。主橋設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h，橋面橫向采用雙向四車(chē)道布置方式，荷載設(shè)計(jì)等級(jí)為公路I級(jí)。在橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主梁下部的鋼梁采用工字形斷面形式，梁高為2010mm，分別由上翼緣板、下翼緣及腹板焊接成整體，上、下翼緣的跨度分別為700mm 和850mm。鋼梁的豎向加勁肋與梁體腹板等高，主跨沿縱橋向每隔8m分別設(shè)置一道下橫梁，小橫梁在支點(diǎn)處進(jìn)行加密布置，橫向間距縮小為3m一道，小橫梁的梁高設(shè)置為800mm。橋面總體寬度為19.50m，承托板及懸臂板厚度分別為0.40m 及0.22m。橋面板采用混凝土構(gòu)造，橋面板跨中板厚設(shè)置為0.25m，面板濕接縫區(qū)域采用鋼筋環(huán)形搭接。依據(jù)設(shè)計(jì)資料，主橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁橫向設(shè)置四排，鋼管樁孔徑為1200mm，管樁橫向布置兩排，管樁鋼材采用Q235D 材質(zhì)，樁體壁厚為14mm。鋼管樁頂設(shè)置縱橫向分配梁，上部設(shè)置縱橫向連接系。

2 試驗(yàn)對(duì)象和內(nèi)容

目前與橋梁荷載試驗(yàn)相關(guān)的檢測(cè)規(guī)范主要為2015 年交通部發(fā)布的《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)，以及2011 年發(fā)布的《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)。上述規(guī)范對(duì)基于橋梁荷載試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定進(jìn)行了一系列規(guī)定。并針對(duì)具體的荷載試驗(yàn)，又規(guī)定了靜、動(dòng)載試驗(yàn)需要進(jìn)行的內(nèi)容及試驗(yàn)步驟。本文對(duì)G40高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，其主要目的是通過(guò)荷載試驗(yàn)獲得橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的校驗(yàn)系數(shù)及動(dòng)力參數(shù)等，通過(guò)獲得的這些數(shù)據(jù)及評(píng)定結(jié)果，為橋梁后期的養(yǎng)護(hù)、維修加固提供數(shù)據(jù)支撐。

一般而言，對(duì)鋼板組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)通常包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)力測(cè)試兩個(gè)方面。其中，靜載試驗(yàn)就是通過(guò)對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行額定試驗(yàn)荷載加載，獲得橋梁關(guān)鍵截面在試驗(yàn)荷載作用下的變形及應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)與理論模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的校驗(yàn)系數(shù)等，通過(guò)獲得的這些校驗(yàn)系數(shù)，判定橋梁的承載能力是否滿(mǎn)足要求。

動(dòng)力測(cè)試又稱(chēng)動(dòng)載試驗(yàn)，其與靜載試驗(yàn)不同之處在于其主要測(cè)試橋梁的動(dòng)力特性，測(cè)試手段主要包含模態(tài)測(cè)試、跑車(chē)、跳車(chē)以及剎車(chē)測(cè)試。其中，模態(tài)測(cè)試的目的是為了獲得橋梁的整體模態(tài)參數(shù)，包括頻率、振型以及阻尼比等參數(shù)，另外跑車(chē)、剎車(chē)試驗(yàn)主要目的是為了測(cè)試橋梁的沖擊系數(shù)，并通過(guò)獲得的這些參數(shù)，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)與理論狀態(tài)的區(qū)別，從而對(duì)橋梁的真實(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

3 靜載試驗(yàn)

在對(duì)G40高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)之前，應(yīng)首先對(duì)該橋梁關(guān)鍵受力部位的外觀(guān)缺陷進(jìn)行識(shí)別，如鋼梁表面是否出現(xiàn)裂紋、掉漆、以及銹蝕等現(xiàn)象，同時(shí)觀(guān)測(cè)混凝土橋面板是否出現(xiàn)破損、裂縫等。其次觀(guān)測(cè)橋面板伸縮縫處是否有開(kāi)裂、破損、露筋等缺陷。最后對(duì)橋跨支座進(jìn)行觀(guān)測(cè)，確保荷載試驗(yàn)前橋梁的安裝質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。上述檢測(cè)工作完畢后，方可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

3.1 靜載試驗(yàn)工況選擇

依據(jù)G40高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁橋的設(shè)計(jì)資料，本研究利用MIDAS 軟件建立該鋼板組合梁橋的空間有限元模型，建立的模型如圖1 所示。其中主橋的鋼梁部分采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋面板采用板單元進(jìn)行模擬，鋼梁與橋面板采用剛接方式進(jìn)行連接。依據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，利用MIDAS 軟件中的移動(dòng)荷載模塊，定義橋面的車(chē)道荷載，車(chē)道橫向采用四車(chē)道布置方式。待有限元模型建立完畢后，通過(guò)執(zhí)行靜力分析，獲得主橋在設(shè)計(jì)荷載作用下的彎矩包絡(luò)線(xiàn)，如圖2 所示。通過(guò)彎矩分布，分別確定主橋的測(cè)試截面，結(jié)合荷載試驗(yàn)規(guī)范，選取的測(cè)試截面沿橋梁縱向如圖3 所示，全橋共選取三個(gè)測(cè)試截面，分別為I-I、II-II 以及III-III，其中，I-I、II-II分別為鋼板組合梁橋兩跨跨中測(cè)試截面，III-III 截面為支座處截面，全橋共進(jìn)行四個(gè)測(cè)試工況，測(cè)試工況詳細(xì)信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)加載工況選擇

圖1 橋梁有限元模型立面

圖2 設(shè)計(jì)荷載作用下的主橋彎矩包絡(luò)圖

圖3 測(cè)試斷面布置示意圖（單位：cm）

3.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方法

結(jié)合鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁靜載試驗(yàn)的應(yīng)變主要采用DH3819 無(wú)線(xiàn)靜態(tài)采集系統(tǒng)測(cè)試，橋梁變形主要通過(guò)精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。其中，測(cè)試截面的測(cè)點(diǎn)布置分別如圖4 所示。由圖4可知，對(duì)于跨中測(cè)試截面，每個(gè)截面布置12 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，橋面橫橋向共布置3 個(gè)變形測(cè)點(diǎn)。另外，對(duì)于支座截面，鋼主梁布置12 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，橋面橫橋向共布置3個(gè)變形測(cè)點(diǎn)。

圖4 I-I、II-II截面測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

3.3 試驗(yàn)工況及荷載分級(jí)

本次鋼板組合梁荷載試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)分級(jí)加載的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)進(jìn)行控制。依據(jù)橋梁的試驗(yàn)荷載大小及布載的方式，本次荷載試驗(yàn)共分為四級(jí)加載，每一級(jí)加載一輛試驗(yàn)車(chē)。另外，試驗(yàn)荷載的加載說(shuō)明分為五點(diǎn)。第一，將試驗(yàn)用車(chē)輛荷載緩慢駛?cè)腩A(yù)定加載位置，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，對(duì)各測(cè)點(diǎn)讀數(shù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，確保試驗(yàn)安全。第二，在分級(jí)加載時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注截面應(yīng)力及變形的變化與試驗(yàn)荷載的關(guān)系，同時(shí)要保證各測(cè)試截面的最大內(nèi)力不超過(guò)測(cè)試截面在最不利荷載作用下的內(nèi)力。第三，在同一級(jí)荷載內(nèi)，荷載施加完成后，要等5 分鐘之后開(kāi)始讀數(shù)，確保讀數(shù)能夠穩(wěn)定，或者當(dāng)測(cè)試結(jié)果變動(dòng)小于量測(cè)儀器分辨率時(shí)，則可認(rèn)為測(cè)試結(jié)果達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。但當(dāng)進(jìn)行主要控制截面最大內(nèi)力加載程序時(shí)，加卸載穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)不少于15 分鐘。第四，本橋試驗(yàn)荷載逐級(jí)加載達(dá)最大荷載后一次卸載。第五，試驗(yàn)加載過(guò)程中，應(yīng)在氣溫相對(duì)穩(wěn)定期間進(jìn)行，通常選擇晚上或清晨進(jìn)行荷載試驗(yàn)，基于本地區(qū)的溫度變換，本文所進(jìn)行的荷載試驗(yàn)選擇在晚間進(jìn)行。

本次荷載試驗(yàn)中，試驗(yàn)荷載的中載及偏載布置圖如圖5 所示，其中每個(gè)測(cè)試工況各使用4 輛35t 的試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行加載，每一級(jí)工況加載1輛車(chē)。

圖5 加載車(chē)輛立面布置圖

3.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)定

通過(guò)該鋼板組合梁橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，獲得該橋梁在靜載作用下的變形及應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，通過(guò)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論，在中載工況作用下，主橋兩跨跨中的最大變形校驗(yàn)系數(shù)約為0.80，最大相對(duì)殘余變形為10.33%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1，殘余變形小于20%的規(guī)定。另外，獲得的三個(gè)關(guān)鍵測(cè)試截面的最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.77，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?6.11%，均滿(mǎn)足規(guī)范需求。同理，在偏載工況作用下，主橋兩跨跨中的最大變形校驗(yàn)系數(shù)約為0.94，最大相對(duì)殘余變形為15.32%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求規(guī)定的校驗(yàn)系數(shù)小于1，殘余變形小于20%的規(guī)定。另外，獲得的三個(gè)關(guān)鍵測(cè)試截面的最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.78，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?8.98%，均滿(mǎn)足規(guī)范需求，說(shuō)明該鋼板組合梁橋在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作階段，但體系的安全富余則相對(duì)較低，尤其是偏載作用下，鋼梁的最大變形校驗(yàn)系數(shù)達(dá)到了0.94，已經(jīng)接近于1.0。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

針對(duì)該鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及規(guī)范要求，本次動(dòng)力測(cè)試內(nèi)容主要包括模態(tài)測(cè)試、跑車(chē)和剎車(chē)工況。其中，模態(tài)測(cè)試工況的目的是為了獲得橋梁的豎向自振頻率和振型等結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力參數(shù)，通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)試橋梁的動(dòng)力沖擊系數(shù)，剎車(chē)試驗(yàn)的目的是進(jìn)一步測(cè)試在剎車(chē)工況下的橋梁沖擊系數(shù)，同時(shí)利用剎車(chē)工況下的自由衰減振動(dòng)可以進(jìn)一步識(shí)別橋梁的阻尼比參數(shù)。

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)試鋼板組合梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)，結(jié)合橋梁振型特點(diǎn)，傳感器主要布置在鋼板組合梁橋的每跨L/4截面、L/2 截面和3L/4 截面，每跨各布置3 個(gè)豎向傳感器，共計(jì)6 個(gè)豎向傳感器。另外，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在各跨跨中位置。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)定

模態(tài)測(cè)試采取在無(wú)車(chē)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，采用自然激勵(lì)獲取6 個(gè)動(dòng)力傳感器的振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率設(shè)置為200Hz，并持續(xù)采集10 分鐘。然后將獲得的6 個(gè)通道的信號(hào)輸入到測(cè)試系統(tǒng)中，據(jù)信號(hào)的自功率譜、互譜以及相干函數(shù)識(shí)別主體結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的低階模態(tài)參數(shù)，具體振型如圖6、圖7所示。其中測(cè)試的主橋一階豎向振型如圖6 所示，在該工況下的自振頻率為4.00Hz，阻尼比約為2.15%。另外，主橋二階豎向振型如圖7所示，在該工況下的自振頻率為4.88Hz，阻尼比約為2.72%。然后基于有限元分析，獲得該鋼板組合梁橋的理論模態(tài)測(cè)試結(jié)果，與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比如表2所示。由表2可知，大橋試驗(yàn)跨的前二階實(shí)測(cè)頻率均大于理論頻率，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)各部件整體性能和技術(shù)狀況較好。

表2 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比結(jié)果

圖6 主橋一階豎向振型

圖7 主橋一階豎向振型

動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試。沖擊系數(shù)是鋼板組合梁橋的一個(gè)重要?jiǎng)恿?shù)，其反映了橋梁對(duì)移動(dòng)荷載的放大程度，通?？梢杂米畲髣?dòng)響應(yīng)與靜響應(yīng)的比值進(jìn)行表示。本次跑車(chē)試驗(yàn)擬采用35t 的加載車(chē)一輛，分別進(jìn)行20km/h 和40km/h 的跑車(chē)及剎車(chē)試驗(yàn)，并獲得大橋跨中在車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)與理論值的對(duì)比結(jié)果如表3 所示。由表3 可以清楚看到，四類(lèi)工況下獲得的大橋沖擊系數(shù)均低于理論值0.208，說(shuō)明該鋼板組合梁橋試驗(yàn)跨具有較好的行車(chē)舒適性。

表3 實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)與理論值對(duì)比

5 結(jié)論

本文以G40高速公路越引江濟(jì)淮工程某鋼板組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，開(kāi)展鋼板組合梁橋的荷載試驗(yàn)，探明此類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的真實(shí)校驗(yàn)系數(shù)及沖擊系數(shù)，并通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)現(xiàn)象得出以下結(jié)論。

①中載工況作用下最大變形校驗(yàn)系數(shù)為0.80，最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.77，均不大于1，滿(mǎn)足規(guī)范要求。最大相對(duì)殘余變形為10.33%，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?6.11%，均不大于20%，說(shuō)明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。

②偏載工況作用下最大變形校驗(yàn)系數(shù)為0.94，最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.78，均不大于1，滿(mǎn)足規(guī)范要求。最大相對(duì)殘余變形為16.99%，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?8.98%，均不大于20%，說(shuō)明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。

③實(shí)測(cè)頻率均大于理論頻率，說(shuō)明橋梁具有良好的動(dòng)力性能。通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)和剎車(chē)試驗(yàn)，所得到的平均沖擊系數(shù)均小于理論值，說(shuō)明橋梁實(shí)際動(dòng)力效應(yīng)小于理論值，行車(chē)舒適度較好。

④通過(guò)靜動(dòng)載試驗(yàn)分析結(jié)果表明，該鋼板組合梁橋的承載能力滿(mǎn)足公路I級(jí)荷載需求。