T型剛構(gòu)橋靜動載試驗研究

摘要：為評定某T型剛構(gòu)橋的實際承載能力，檢驗橋梁施工質(zhì)量，本文采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，設(shè)計了加載方案，并通過現(xiàn)場靜、動載試驗的方式，利用加載車輛作用激發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的振動和位移，獲取橋梁關(guān)鍵截面的應(yīng)變、撓度及加速度等實測數(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。分析結(jié)果表明：在靜荷載作用下，各工況撓度、應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1.0，相對殘余變形及應(yīng)變均不大于20%，實測基頻大于理論基頻，在動荷載作用下，動應(yīng)變增量系數(shù)均大于規(guī)范允許值，沖擊系數(shù)較大，綜合評定該橋承載能力滿足設(shè)計要求，但在運營期間應(yīng)加強橋面養(yǎng)護(hù)，保持平整通暢。

關(guān)鍵詞：T型剛構(gòu)橋；荷載試驗；承載能力；有限元分析

中圖分類號：U44""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

截至2022年底，我國已建成公路橋梁103.32萬座，總長度8576.49萬延米[1]。雖然公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，但也有橋梁垮塌、損毀等質(zhì)量問題，為保證新建橋梁的施工質(zhì)量，最直接有效的手段是對橋梁進(jìn)行荷載試驗，以檢驗橋梁承載能力是否滿足設(shè)計要求。根據(jù)加載方式，可將橋梁荷載試驗分為靜載和動載試驗，靜載試驗測得的橋梁關(guān)鍵截面應(yīng)力及撓度數(shù)據(jù)可反映橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度等性能，動載試驗則可獲得橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動力響應(yīng)，包括移動車輛或其他移動荷載作用下橋梁指定截面上的動應(yīng)變、動撓度或者加速度等[2-3]。通過荷載試驗，可對橋梁的整體質(zhì)量進(jìn)行綜合評定，全面掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能。

本文以某T型剛構(gòu)橋（100m+100m）為例，首先，采用大型通用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，設(shè)計加載方案，其次，進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗采集實測數(shù)據(jù)，最后，比較實測值與理論值，計算并考慮試驗現(xiàn)象后進(jìn)行綜合分析，全面評估該橋梁結(jié)構(gòu)性能及使用功能是否滿足設(shè)計要求，為橋梁運營的安全性提供技術(shù)依據(jù)，并為今后橋梁維護(hù)、管理提供原始資料。

1工程概況

試驗橋例左、右幅孔跨布置均為（100+100）m預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)，左幅縱坡-1.5%，右幅縱坡-1.6%。測試主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁頂全寬16.75m，梁底寬8m，橋面橫坡單向2%，中支點截面梁高11.5m，邊支點截面及邊跨合龍段梁高均為4.0m，梁底線形按1.6次方拋物線漸變，中支點截面底板厚度為1.3m，漸變至邊跨合龍段0.32m，再從合龍段漸變至梁端0.7m。

下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙肢薄壁墩，截面形式采用實心矩形，單肢尺寸為8.0m（橫橋向）×2.0m（順橋向），橋墩雙肢間凈距為3.0m，墩頂與主梁0#節(jié)段固接，墩底固結(jié)于承臺。過渡墩采用矩形實心墩，縱橋向?qū)?.5m，橫橋向?qū)?0.5m。主墩承臺采用14.0m×14.0m×5.0m矩形承臺，過渡墩承臺采用14.0m×7.0m×3.0m矩形承臺，主墩樁基均采用9根直徑為2.0m的樁基，過渡墩采用6根1.8m的樁基，主橋樁基按嵌巖樁設(shè)計，現(xiàn)澆箱梁采用C55混凝土，主墩和過渡墩墩身采用C50混凝土，橋墩樁基、承臺采用C30混凝土，設(shè)計荷載為公路-I級。

2靜載試驗

2.1理論計算

采用橋梁通用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，并分析結(jié)構(gòu)，全橋共劃分為112個節(jié)點，116個單元，箱梁材料采用C55，主墩采用C50，承臺采用C30，單元類型全部采用梁單元，主橋計算模型如圖1所示。在試驗中，主跨車輛橫橋向按中載布置，通過有限元計算分析，確定正常使用極限狀態(tài)車輛荷載作用下的最不利斷面，當(dāng)本橋靜載試驗時，選擇對應(yīng)的截面和測點進(jìn)行測試，圖2為主橋撓度測試截面圖。

2.2理論與實測數(shù)據(jù)分析

以左幅橋為例，試驗加載分為第一跨最大正彎矩、墩頂最大負(fù)彎矩及第二跨最大正彎矩等3個工況，在對應(yīng)工況車輛分級加載及卸載作用下，主梁各測點的撓度實測值、計算校驗系數(shù)η見表1和表2，相應(yīng)的撓度曲線如圖3、圖4所示。

由表1和表2、圖3、圖4可知，在分級加載作用下，各測點實測撓度值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足設(shè)計及使用要求。同時在試驗車輛卸載后，各測點的撓度殘余值均小于規(guī)范的允許值20%，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

主橋2號應(yīng)變測試截面距主墩右側(cè)1m，應(yīng)變測點按5等分點布置在箱梁截面右側(cè)腹板，1號、3號測試截面對稱布置在距主橋兩端29m處，應(yīng)變測點按5等分點布置在箱梁截面底板。本文提取左幅對應(yīng)工況下1號至3號截面應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3～表5，相應(yīng)的應(yīng)變分布圖如圖5～圖7所示。

由表3～表5和圖5～圖7可知，在對應(yīng)工況車輛分級加載及卸載作用下，主梁截面各測點實測應(yīng)變值均小于理論計算值，應(yīng)變校驗系數(shù)η均小于1.0，說明橋梁結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計及使用要求。同時試驗車輛卸載后，各測點的殘余應(yīng)變與實測總應(yīng)變的比值均小于規(guī)范容許值的20%，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

3動載試驗

橋梁在車輛荷載作用下會產(chǎn)生振動、沖擊等動力反應(yīng)，動載試驗可通過測試數(shù)據(jù)及波形分析，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，檢驗橋梁在正常使用極限狀態(tài)下的實際承載能力，同時對橋梁的整體動力性能進(jìn)行評定[4-6]。測試工況包括脈動試驗、行車試驗及剎車試驗等。

3.1脈動試驗

在橋面無行車及任何規(guī)則振源的情況下進(jìn)行試驗，測試橋梁結(jié)構(gòu)的微小而不規(guī)則的振動響應(yīng)，并進(jìn)行譜分析獲取橋梁結(jié)構(gòu)的基頻，分析結(jié)果見表6。

由表6可知，試驗橋跨的基頻實測值大于理論計算值，表明所測結(jié)構(gòu)實際剛度大于設(shè)計剛度，根據(jù)橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)，該橋左、右幅自振頻率評定標(biāo)度均評定為1。

3.2行車及剎車試驗

行車及剎車試驗是評估橋梁結(jié)構(gòu)在實際荷載作用下動力性能和安全性的重要方法。試驗選取跨中附近正彎矩最不利截面，每個截面布置3個測點，在箱梁底板布置測點。行車試驗采用1輛總重約400kN的加載車輛，分別以20km/h、30km/h、40km/h的速度通過橋梁，測試橋梁主體結(jié)構(gòu)在車輛移動荷載作用下的動態(tài)反應(yīng)，剎車試驗采用加載車分別以20km/h、30km/h的速度，在選取的跨中附近正彎矩最不利截面上進(jìn)行緊急剎車，測試主梁控制截面的動應(yīng)變（應(yīng)力）及增量，以評估橋梁在車輛采取緊急制動措施時的動力性能。本文以左幅橋為例，提取試驗橋跨動應(yīng)變測試分析結(jié)果，見表7和表8。

由表7和表8可知，橋梁試驗跨無障礙行車試驗最大動力系數(shù)為1.063，對應(yīng)動應(yīng)變增量系數(shù)為0.063，剎車試驗最大動力系數(shù)為1.150，對應(yīng)動應(yīng)變增量系數(shù)為0.150，分析可知，本橋動態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)均大于計算的規(guī)范允許值0.05（flt;1.5Hz），表明該橋沖擊系數(shù)較大，在后續(xù)運營期間應(yīng)加強橋面監(jiān)控和養(yǎng)護(hù)，防止橋面出現(xiàn)破損，坑槽等病害。

4結(jié)論

在試驗靜荷載作用下，該橋各測試截面主要測點的撓度校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）[7]的相關(guān)要求，主要控制測點相對殘余撓度和相對殘余應(yīng)變不大于20%，表明該橋試驗跨剛度、強度均滿足設(shè)計和使用要求。在無任何交通荷載及橋址附近無規(guī)則振源情況下，橋梁左、右幅基頻實測值均大于理論計算值，自振頻率評定標(biāo)度均評定為1。在試驗動荷載作用下，該橋左、右幅動態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)均大于計算的規(guī)范允許值0.05，表明該橋沖擊系數(shù)較大，在運營期間應(yīng)加強橋面監(jiān)控和養(yǎng)護(hù)。本文試驗成果可為今后同類型橋梁的設(shè)計和施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[7]交通運輸部. 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/TJ21—2011[S]. 北京：人民交通出版社，2011.