橋梁荷載試驗(yàn)分析

摘 要：通過(guò)對(duì)靜載試驗(yàn)的理論計(jì)算分析、工況設(shè)置、測(cè)點(diǎn)布置、荷載布置，以及動(dòng)載試驗(yàn)的橋梁模態(tài)試驗(yàn)和行車試驗(yàn)試等內(nèi)容的介紹，為橋梁靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)方案和試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：靜載試驗(yàn)；動(dòng)載試驗(yàn)；工況；荷載；模態(tài)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0066-06

Abstract： Through the introduction of the theoretical calculation and analysis， working condition setting， measuring point layout， load layout of the static load test， as well as the bridge modal test and driving test of the dynamic load test， this paper provides a reference for the static and dynamic load test scheme and test of the bridge.

Keywords： static load test; dynamic load test; working condition; load; modal test

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和人民生活品質(zhì)的提升，公路橋梁建設(shè)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化的步伐、實(shí)施農(nóng)村復(fù)興策略以及加強(qiáng)地區(qū)間的經(jīng)濟(jì)文化交流具有極其關(guān)鍵的戰(zhàn)略影響。橋梁可以很好地解決跨水、越谷等問題，提高通行效率，增大交通便利性。

為了更好地掌握橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、受力性能、實(shí)際承載能力。通過(guò)荷載試驗(yàn)，掌握現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的成橋質(zhì)量，評(píng)估結(jié)構(gòu)承載力，判斷橋梁實(shí)際工作狀況是否正常，了解橋梁結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性，掌握車致振動(dòng)或其他荷載動(dòng)力響應(yīng)，為保障橋梁工程的安全使用、交竣工驗(yàn)收及后期維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)已經(jīng)變成了一種有效的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，根據(jù)荷載性質(zhì)被劃分為2大類：靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。

1.1 靜載試驗(yàn)

橋梁靜態(tài)荷載測(cè)試主要目的在于，監(jiān)測(cè)在靜態(tài)荷載影響下橋梁各主控截面的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形變，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定控制荷載。通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。

靜載試驗(yàn)效率：ηq=ss/s（1+μ），ηq一般采用0.95～1.05。Ss為最大計(jì)算效應(yīng)值，S為最不利效應(yīng)計(jì)算值，μ為沖擊系數(shù)。

載荷試驗(yàn)分軸心、偏心載荷2種形式。試驗(yàn)開始前于橋面上標(biāo)明加載車輛的具體位置。

通過(guò)有限元模擬分析，以獲得設(shè)計(jì)載荷下最不利荷載效應(yīng)，即內(nèi)力包絡(luò)曲線圖的最大不利值。

為分析結(jié)構(gòu)形變與應(yīng)力的變化規(guī)律，通過(guò)分析選定試驗(yàn)工況，根據(jù)試驗(yàn)荷載總量和荷載分級(jí)增量逐級(jí)加載。

測(cè)點(diǎn)根據(jù)測(cè)試內(nèi)容合理布置，如橋面已完成鋪裝，則橋面板的上層表面不宜設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)靜載試驗(yàn)荷載效率及橋梁控制截面的設(shè)計(jì)彎矩值，并考慮加載車輛軸距及方便實(shí)施等因素，選擇試驗(yàn)加載車輛。

1.2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是通過(guò)激振的方式獲取結(jié)構(gòu)諸如自振頻率、沖擊系數(shù)、振型、阻尼比和動(dòng)撓度等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而全面評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)力特性的試驗(yàn)手段。

可利用自由振法、強(qiáng)迫振動(dòng)（共振）、環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)等方法采集橋梁振動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)，獲得橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)（自振頻率、陣型、阻尼比等），動(dòng)力特性參數(shù)僅與結(jié)構(gòu)自身形式和材料性能有關(guān)。

可通過(guò)自由振動(dòng)法、強(qiáng)迫共振法以及環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法獲取橋梁振動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)，得到橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（包括自振頻率、模態(tài)、阻尼比）。

速度傳感器的布置一般應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)，避開各階振型節(jié)點(diǎn)，布設(shè)于變位較大位置。

使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀對(duì)行車試驗(yàn)下的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)主要包括無(wú)障礙跑車、跳車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)。

2 工程實(shí)例

某橋上部采用2×20 m結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，鉆孔灌注樁輕型橋臺(tái)，采用柱式墩接蓋梁橋墩，如圖1、圖2所示。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①設(shè)計(jì)荷載為汽車荷載（城-A級(jí)）、人群荷載（4.0 kPa）；②抗震設(shè)防類別為丙類，按6度設(shè)防。

本次荷載試驗(yàn)對(duì)象為左右幅的1#跨。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

為檢測(cè)試驗(yàn)橋跨的工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的安全性，按照城-A級(jí)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行靜載試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析，在設(shè)計(jì)荷載及試驗(yàn)荷載作用下，確定2個(gè)主要內(nèi)力控制截面（分左右兩幅），如圖3所示，確定4個(gè)靜載試驗(yàn)工況，見表1。

3.2 荷載確定

按照試驗(yàn)構(gòu)件截面“等效內(nèi)力”的原則，確定加載車輛的總數(shù)量和排列位置，使加載車輛組成的行列荷載與設(shè)計(jì)荷載在該截面產(chǎn)生的內(nèi)力基本相等。對(duì)各測(cè)試截面荷載內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)確定靜載試驗(yàn)時(shí)荷載的大小。

根據(jù)“等效內(nèi)力”原則，設(shè)定加載汽車的總數(shù)及其位置，使加載車輛組成的行列荷載與設(shè)計(jì)荷載在該截面產(chǎn)生的內(nèi)力基本相等。對(duì)測(cè)試截面荷載內(nèi)力分析，確定靜載試驗(yàn)時(shí)荷載的大小。經(jīng)計(jì)算，需6輛總重360 kN的加載車輛。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

在控制截面的主梁布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

3.4 試驗(yàn)實(shí)施

1）試驗(yàn)加載車輛。試驗(yàn)車輛軸距、軸重詳見表2，各工況下所需加載車輛的數(shù)量，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載作用下工況的最不利效應(yīng)值按照荷載效率系數(shù)換算。

2）各工況車輛荷載布置。具體工況和車輛荷載分級(jí)詳見表3，車輛布置如圖5所示。

本次靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)詳見表4。

設(shè)計(jì)荷載作用下測(cè)試跨主梁的彎矩包絡(luò)圖及各工況試驗(yàn)荷載作用下的彎矩內(nèi)力圖如圖6、圖7所示。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)列舉工況1的靜載試驗(yàn)結(jié)果，工況2—4與之類似。測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果詳見表5，應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖8所示。撓度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖9所示，測(cè)點(diǎn)撓度測(cè)試結(jié)果詳見表6。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

COuprhhgrDNDDHKBoJ9Uog==在無(wú)荷載作用下，采集脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而得出橋梁的自振頻率。表7是實(shí)測(cè)頻率和理論頻率對(duì)比。理論頻率fl計(jì)算結(jié)果截圖如圖10所示。

在10、20、30、40 km/h車速下進(jìn)行無(wú)障礙跑車試驗(yàn)，采集跑車過(guò)程應(yīng)變信號(hào)時(shí)程曲線進(jìn)行沖擊系數(shù)分析，從而得出橋梁的沖擊系數(shù)。圖11、圖12是各速度跑車試驗(yàn)時(shí)程曲線；表8是跑車試驗(yàn)沖擊系數(shù)對(duì)比表。

5 結(jié)論

通過(guò)荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可以看出：靜載試驗(yàn)的荷載試驗(yàn)效率介于0.85～1.05，滿足規(guī)范要求。靜載試驗(yàn)工況荷載，實(shí)測(cè)撓度、實(shí)測(cè)應(yīng)變均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值均不大于1；卸載后的殘余變位、應(yīng)變較小，相對(duì)殘余變位、應(yīng)變不超過(guò)20%；各跨跨中的變形小于L/600；均滿足規(guī)范要求。動(dòng)載試驗(yàn)表明，沖擊系數(shù)測(cè)試的結(jié)果正常，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小于規(guī)范計(jì)算值；實(shí)測(cè)一階豎向固有頻率高于理論計(jì)算值，表明測(cè)試跨的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性正常，橋梁的動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

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第一作者簡(jiǎn)介：石立君（1981-），男，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橥聊竟こ?、工程檢測(cè)鑒定。