基于靜動(dòng)載試驗(yàn)的中承式鋼混系桿拱橋承載力評(píng)估

李寧波，束慶東， 朱清帥，程 才，李 萌

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)承載能力是實(shí)際工程中橋梁結(jié)構(gòu)是否安全的重要指標(biāo)，因此橋梁承載能力評(píng)估對(duì)于既有橋梁性能判斷十分重要[1]。傳統(tǒng)的橋梁承載能力評(píng)估設(shè)計(jì)方法往往依賴于經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范規(guī)定，可能無法完全捕捉實(shí)際工作條件和材料特性。因此，研究采用靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)直接測(cè)量和觀察橋梁在實(shí)際荷載條件下的響應(yīng)情況，使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞靜動(dòng)載試驗(yàn)與橋梁承載能力評(píng)定的關(guān)系開展了相關(guān)的研究，Gara 等[2]通過貨車加載研究動(dòng)力對(duì)橋梁模態(tài)參數(shù)的影響情況，在靜載試驗(yàn)中對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)力監(jiān)測(cè)，并提出了相應(yīng)的橋梁監(jiān)測(cè)措施和建議。Cao 等[3]基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)進(jìn)行了識(shí)別，為橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。Gara 等[4]對(duì)高架橋進(jìn)行了振動(dòng)載荷試驗(yàn)，分析在不同荷載作用下振動(dòng)對(duì)橋梁土與結(jié)構(gòu)耦合的影響情況，為該種類型的橋梁設(shè)計(jì)和橋梁施工提供參考依據(jù)。Sun 等[5]通過移動(dòng)車輛加載評(píng)估連續(xù)梁橋的承載能力，并證實(shí)此方法在評(píng)估方面的有效性。謝開仲等[6]通過試驗(yàn)分析關(guān)鍵拱肋截面處的靜動(dòng)力特性，包括振動(dòng)頻率、位移和內(nèi)力、振動(dòng)阻尼比和沖擊系數(shù)等參數(shù)。進(jìn)一步證實(shí)了橋梁的工作狀態(tài)和各項(xiàng)力學(xué)性能符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。Zheng 等[7]對(duì)大跨橋梁進(jìn)行橋梁對(duì)有限車輛的承載能力評(píng)估，提出了更好更快的評(píng)估承載能力的措施和建議。李永河等[8]認(rèn)為需要明確采取靜載試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)策、動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)策以及荷載試驗(yàn)的對(duì)象，以保證荷載試驗(yàn)的檢測(cè)使用效果。朱利明等[9]綜合橋面構(gòu)造物、混凝土彈性模量偏差以及活動(dòng)支座摩阻力3 種因素對(duì)橋梁模型進(jìn)行修正，并分析對(duì)比各模型修正前后計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)模型的影響，為進(jìn)一步研究橋梁有限元模型修正在荷載試驗(yàn)方面的作用提供了新思路。Shi 等[10]對(duì)空心FRP 混凝土鋼橋靜動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行分析，并通過有限元建模分析，可以為今后的橋梁設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和指導(dǎo)。Paraskeva 等[11]研究地震作用下橋車動(dòng)力作用，綜合靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)和有限元分析的結(jié)果，可以全面評(píng)估橋梁在不同荷載形式下的承載能力和結(jié)構(gòu)安全性。這些方法的應(yīng)用使得工程師能夠更好地理解橋梁的行為，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并提供更可靠的橋梁結(jié)構(gòu)[12-14]。動(dòng)荷載試驗(yàn)是評(píng)估運(yùn)營橋梁整體工作狀態(tài)和新建橋梁是否符合設(shè)計(jì)要求的重要手段。它是對(duì)橋梁靜荷載試驗(yàn)的補(bǔ)充和發(fā)展，兩者相互補(bǔ)充，能夠用于準(zhǔn)確診斷橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度[15-17]。上述研究多為通過靜動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)梁橋、斜拉橋進(jìn)行分析研究，對(duì)于中承式鋼筋混凝土系桿拱橋進(jìn)行靜動(dòng)荷載試驗(yàn)案例較為罕見。

既有橋梁的承載能力評(píng)估是建立和完善橋梁管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。而采用橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)評(píng)估橋梁的承載能力已成為橋梁安全性、可靠性與耐久性研究的熱門課題[18]。本研究使用大型加載設(shè)備或重型車輛將橋梁的結(jié)構(gòu)加載到不同的荷載水平，測(cè)量橋梁的變形和應(yīng)變響應(yīng)，評(píng)估橋梁在不同靜態(tài)荷載下的穩(wěn)定性和承載能力；并利用行駛在橋梁上的車輛模擬不同類型的動(dòng)態(tài)荷載，通過測(cè)量橋梁在不同荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，評(píng)估橋梁在實(shí)際使用情況下的動(dòng)態(tài)承載能力，為橋梁的承載能力評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 橋梁的靜動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)是通過施加不同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷到橋梁上，是評(píng)估其結(jié)構(gòu)的性能和響應(yīng)的測(cè)試方法。此試驗(yàn)可模擬在役橋梁所承受的荷載，并檢測(cè)橋梁在荷載作用下的變形、振動(dòng)和應(yīng)力情況。通過試驗(yàn)，可獲取橋梁在各種荷載作用下的實(shí)際工作性能數(shù)據(jù)。

橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)可以提供實(shí)際荷載下橋梁的響應(yīng)數(shù)據(jù)，例如變形、振動(dòng)和應(yīng)力等。這些數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，并用與評(píng)估在役橋梁的承載能力。通過橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，可提供更準(zhǔn)確的參數(shù)和輸入條件，用于評(píng)估橋梁的實(shí)際承載能力。例如靜載試驗(yàn)效率可以用來評(píng)估試驗(yàn)荷載是否能夠準(zhǔn)確地模擬設(shè)計(jì)荷載的作用效果。靜載試驗(yàn)效率為：

式（1）中：μ為規(guī)范沖擊系數(shù)；Ss為靜載試驗(yàn)下最大計(jì)算效應(yīng)值；S'為最不利效應(yīng)值。

梁表面應(yīng)變:

式（2）中：a 是被測(cè)結(jié)構(gòu)物線膨脹系數(shù)（10-6/℃）；b 是表面計(jì)溫度修正系數(shù)（10-6/℃）；k 是最小表面應(yīng)變計(jì)讀數(shù)值（c/F）；F 是實(shí)時(shí)表面計(jì)測(cè)量值（F）；F0為表面計(jì)基準(zhǔn)值（F）；T0是基準(zhǔn)溫度值（℃）；T 是實(shí)時(shí)測(cè)量溫度值（℃）。

測(cè)點(diǎn)變位與應(yīng)變的計(jì)算:

總變位（或總應(yīng)變）

彈性變位（或彈性應(yīng)變）

殘余變位（或殘余應(yīng)變）

式（3）-（5）中：在這種情況下，Sl表示加載達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的測(cè)量值，Su表示卸載后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的測(cè)量值，Si表示加載前的測(cè)量值。

結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ζ 如式。

式（6）中：Se為彈性變位；Ss為應(yīng)變值。

當(dāng)ζ 值小于1 時(shí)，代表橋梁表現(xiàn)優(yōu)良，滿足要求。理論計(jì)算通常偏向安全，以確保結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備余量。

式（7）中：Sp為主要測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變實(shí)測(cè)值；St為主要測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)變實(shí)測(cè)值。值越小，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下的計(jì)算效應(yīng)與設(shè)計(jì)控制效應(yīng)相近，符合彈性力學(xué)的工作原理。因此，當(dāng)這個(gè)參數(shù)接近于1 時(shí)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)越接近于彈性工作狀況，一般要求值小于20%。

橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)可以為橋梁承載能力評(píng)估提供有關(guān)橋梁實(shí)際響應(yīng)和行為的數(shù)據(jù)，從而提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行以下試驗(yàn)內(nèi)容：（1）拱頂最大軸力截面應(yīng)力（應(yīng)變）及撓度；（2）拱肋四分點(diǎn)最大軸力截面應(yīng)力（應(yīng)變）及撓度；（3）拱腳處最大負(fù)彎矩截面應(yīng)力（應(yīng)變）；（4）邊拱附近截面處最大正彎矩彎矩截面應(yīng)力（應(yīng)變）及撓度；（5）梁體裂縫開展情況，混凝土裂縫是結(jié)構(gòu)抗裂性的一個(gè)重要指標(biāo)，包括初始裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，裂縫的寬度、長(zhǎng)度、位置、方向、形狀以及卸載后的閉合情況。

2.2 加載工況及測(cè)點(diǎn)布置方案

根據(jù)各試驗(yàn)工況加載車輛的數(shù)量進(jìn)行分級(jí)加載，在前一荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)變或變位相對(duì)穩(wěn)定后，方可進(jìn)入下一荷載階段。根據(jù)等效荷載模擬分析，確定橋梁分2～4 級(jí)逐步加載。

加卸載穩(wěn)定時(shí)間取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。要求在前一荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定后，方可進(jìn)入下一荷載階段。同一級(jí)荷載內(nèi)，結(jié)構(gòu)最大變位測(cè)點(diǎn)在最后5 min 內(nèi)的變位增量小于第1 個(gè)5 min 變位增量的15%，或小于量測(cè)儀器的最小分辨率值時(shí)，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)變位達(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)間不少于15 min。

測(cè)試斷面布置在橋跨四分點(diǎn)處，分上下游2 條測(cè)線布置測(cè)點(diǎn)。從不同測(cè)點(diǎn)中選取4 個(gè)工況，其中11#、12# 孔位置如圖1 主橋立面圖所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

靜載試驗(yàn)旨在對(duì)橋梁特定部位施加靜態(tài)荷載，并測(cè)量靜力位移、靜力應(yīng)變等參數(shù)，以評(píng)估橋梁在荷載作用下的工作性能和可承載能力。這種評(píng)估有助于檢驗(yàn)橋梁的結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求，提供改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的依據(jù)，確保橋梁的安全性和可靠性。

3 工程實(shí)況

某系桿拱橋主橋立面圖如圖1 所示雙向四車道，橋長(zhǎng)553 m。橋面系為混凝土鋪裝層，采用型鋼伸縮縫。上部結(jié)構(gòu)為自錨中承式鋼管混凝土系桿拱，現(xiàn)澆鋼混連續(xù)箱梁；引橋采用圓板式橡膠支座，橋臺(tái)采用板式橡膠支座。主橋系桿采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋19×Φ15.24 型，選用OVM15-19 型錨頭。樁柱式橋墩作為下部結(jié)構(gòu)，采取鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)部分采用薄壁式鋼筋混凝土輕型結(jié)構(gòu)，同樣采取鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

試驗(yàn)案例對(duì)象為中承式鋼管混凝土系桿拱橋，針對(duì)該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將按照橋梁設(shè)計(jì)荷載汽超－20 級(jí)進(jìn)行加載，并且按照規(guī)定的加載方法進(jìn)行操作。這樣可以更真實(shí)地模擬橋梁在實(shí)際使用中所承受的荷載情況，為評(píng)估橋梁的承載能力提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

在本研究中，采用應(yīng)變傳感器來測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)控制截面在荷載作用下的應(yīng)變。同時(shí)，利用變形觀測(cè)控制網(wǎng)來監(jiān)測(cè)拱肋的變形情況，并借助精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)橋面在荷載作用下的變形情況?？梢蕴峁?zhǔn)確的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，以評(píng)估橋梁在荷載作用下的變形和響應(yīng)情況。試驗(yàn)前，先對(duì)某系桿拱橋進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，具體布置示意如圖2 所示。

4 實(shí)橋橋梁試驗(yàn)

4.1 靜載試驗(yàn)

全橋共分4 個(gè)試驗(yàn)工況，表1 介紹了4 個(gè)試驗(yàn)工況下不同的試驗(yàn)項(xiàng)目和測(cè)試內(nèi)容。滿載作用下的工況1、工況2 及工況4，實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.67，實(shí)測(cè)撓度均小于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求，卸載后，測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余變形小于20%，表明結(jié)構(gòu)控制截面在試驗(yàn)過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

表1 靜載試驗(yàn)各部位測(cè)試內(nèi)容

將工況1、2 靜載試驗(yàn)東西側(cè)撓度測(cè)試結(jié)果于表2 中體現(xiàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果荷載-位移曲線如圖3～4 所示，在工況1 和工況2 的荷載作用下，各截面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.62，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，分析可得控制截面在不同靜態(tài)荷載作用下維持穩(wěn)定性。在卸載后，測(cè)試截面的相對(duì)殘余應(yīng)力值最大為19.5%，這表明結(jié)構(gòu)的各個(gè)控制截面在試驗(yàn)過程中承載能力達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2 靜載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果（東側(cè)偏載分級(jí)加載）

圖3 拱橋工況1 荷載-位移曲線

圖4 拱橋工況2 荷載-位移曲線

具體的測(cè)試結(jié)果可以參考表3 至表6，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。從測(cè)試結(jié)果分析得，在撓度控制截面的實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.51～0.67 之間。實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)的豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。主要測(cè)點(diǎn)靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)小于1。此外，實(shí)測(cè)的相對(duì)殘余變形最大為19.5%，說明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。在主要試驗(yàn)工況下，主跨和邊跨的實(shí)測(cè)撓度曲線平穩(wěn)，并且撓度的變化符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

表3 東側(cè)2 級(jí)偏載加載下各工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表4 東側(cè)4 級(jí)偏載加載下各工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表5 西側(cè)2 級(jí)偏載加載下各工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表6 西側(cè)4 級(jí)偏載加載下各工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

應(yīng)力控制截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.62，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，分析得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。此外，實(shí)測(cè)的相對(duì)殘余應(yīng)力最大為19.5%，說明結(jié)構(gòu)處于良好的承載工作狀態(tài)。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

在脈動(dòng)測(cè)試中，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的速度信號(hào)進(jìn)行了分次采集。圖5 是部分典型測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形圖和自功率譜：通過這些時(shí)域波形圖和自功率譜，可以分析測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特性和頻譜分布，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

通過對(duì)上述采集的各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖進(jìn)行傳函分析和模態(tài)擬合，可以得出橋梁的自振頻率和阻尼比。具體的結(jié)果見表7。其中，實(shí)測(cè)值是所有測(cè)點(diǎn)通過子空間法擬合計(jì)算結(jié)果。其實(shí)測(cè)振型與理論振型如圖6 所示。

表7 自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

圖6 實(shí)測(cè)振型與理論振型對(duì)比圖

通過測(cè)量可得表8動(dòng)載工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)。

表8 車輛激勵(lì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)表

通過模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的各階頻率和理論計(jì)算值對(duì)比，可知實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的比值為1.05～1.15，兩者比值大于1，充分反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性，表明橋梁在實(shí)際使用中具有更好的剛度和振動(dòng)特性，符合設(shè)計(jì)的要求；一階自振頻率的實(shí)測(cè)值為0.830 Hz，作為結(jié)構(gòu)的固有特性和整體剛度的反映，該特征參數(shù)將成為今后檢測(cè)和評(píng)估結(jié)構(gòu)性能的重要參考指標(biāo)。

在不同速度勻速跑車作用下，各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定。實(shí)測(cè)的最大沖擊系數(shù)為0.045（30 km/h），根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[1]中規(guī)定的計(jì)算沖擊系數(shù)，當(dāng)頻率f ＜1.5 Hz 時(shí)，沖擊系數(shù)μ=0.05，表明在正常行駛下，動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

這些測(cè)試結(jié)果強(qiáng)調(diào)了動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的重要性，并需要在設(shè)計(jì)和評(píng)估過程中充分考慮這些沖擊效應(yīng)。對(duì)于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，必須仔細(xì)評(píng)估和控制這些實(shí)際動(dòng)荷載所帶來的沖擊影響。

5 結(jié)論

本研究對(duì)中承式鋼筋混凝土系桿拱橋進(jìn)行了靜載、動(dòng)載試驗(yàn)，根據(jù)荷載與橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性來評(píng)價(jià)橋梁的承載能力，通過靜動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及觀測(cè)評(píng)估的結(jié)果得出以下主要結(jié)論：

（1）撓度控制截面實(shí)測(cè)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.67，實(shí)測(cè)的最大相對(duì)殘余變形小于20%，反映了撓度變化規(guī)律符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

（2）通過模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的各階頻率和理論計(jì)算值對(duì)比，可知實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的比值為1.05～1.15，兩者比值大于1，充分反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性。一階自振頻率的實(shí)測(cè)值為0.830 Hz，自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

（3）各測(cè)點(diǎn)在不同速度勻速跑車作用下的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定。實(shí)測(cè)的最大沖擊系數(shù)為0.045（30 km/h），表明動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

本荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：該系桿拱橋正常使用狀態(tài)下的承載能力滿足試驗(yàn)荷載（汽車-20 級(jí)）的通行要求。因此，試驗(yàn)研究成果具有一定的理論和實(shí)踐意義。靜動(dòng)載試驗(yàn)作為一種有效的橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法，有助于評(píng)估橋梁的安全性、穩(wěn)定性和其他性能，并指導(dǎo)工程實(shí)踐和改進(jìn)設(shè)計(jì)。