多跨連續(xù)梁橋荷載試驗(yàn)及承載力評價(jià)研究

摘要 文章以某大橋左幅多跨連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο?，進(jìn)行了動、靜荷載試驗(yàn)。利用實(shí)測的變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜力試驗(yàn)并對連續(xù)梁橋進(jìn)行了校核，以確定其實(shí)際承載能力。同時(shí)，進(jìn)行了梁橋動載荷實(shí)驗(yàn)，測定其主要工作頻率分量和真實(shí)碰撞系數(shù)，并與有限元仿真以及規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析。分析表明，該梁橋的剛度、強(qiáng)度及動力特性都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其受力狀況良好，實(shí)際承載力達(dá)到了橋梁荷載設(shè)計(jì)等級公路-I級標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 多跨連續(xù)梁橋；荷載試驗(yàn)；承載力評價(jià)

中圖分類號 U441.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0094-03

0 引言

多跨連續(xù)梁橋是大跨度橋梁中常見的結(jié)構(gòu)形式之一，其在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中占有重要地位。橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)與承載力評價(jià)是確保橋梁安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過這一過程可以深入了解橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和運(yùn)營質(zhì)量。靜荷載試驗(yàn)和動荷載試驗(yàn)作為衡量橋梁性能的重要手段，能夠有效評價(jià)橋梁的承載能力以及動力特性，從而為橋梁的設(shè)計(jì)、維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 荷載試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 加載方式與速率

加載方式與速率對荷載試驗(yàn)的結(jié)果具有重要影響。加載方式分為分級加載、一次性加載等，而加載速率則應(yīng)根據(jù)橋梁的類型、材料特性等因素進(jìn)行選擇[1]。

1.2 變形與位移監(jiān)測

在荷載試驗(yàn)過程中，通過位移計(jì)、全站儀等設(shè)備，精確測量橋梁在荷載作用下的變形情況，從而評估其承載能力和穩(wěn)定性。

1.3 應(yīng)力與應(yīng)變分析

通過布置應(yīng)變片、使用應(yīng)力測量儀等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力與應(yīng)變分布，為評估橋梁的安全性和性能提供重要依據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理需要采用高精度、高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。同時(shí)，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、濾波、分析等，以提取出對評估橋梁性能有用的信息。

2 工程概況

某大橋左幅橋梁全長為569.0 m，右幅橋梁全長為559.0 m。該橋荷載試驗(yàn)僅以左幅連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο螅瑯蛎驿佈b采用8 cm厚的C50混凝土防水層和10 cm厚的瀝青混凝土。橋梁荷載等級為公路-I級，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，設(shè)計(jì)雙向四車道。

3 試驗(yàn)方案

3.1 靜荷載試驗(yàn)

靜力實(shí)驗(yàn)的加載模式以單臺三軸車輛為等效載荷，并對設(shè)計(jì)活載引起的內(nèi)力進(jìn)行仿真[3]。所以，對于一個(gè)特定的試驗(yàn)項(xiàng)目（斷面）來說，其所需要的荷載數(shù)目，是按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)活荷載在這個(gè)工程（截面）上所產(chǎn)生的最不利內(nèi)力或變位進(jìn)行的等價(jià)轉(zhuǎn)換。不同部分的載荷效率會隨著加載位置的變化而變化，η在0.85～1.05范圍內(nèi)。

3.1.1 測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)場測試條件，最終確定該次荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)橋跨及測試截面為左幅第2聯(lián)（86+160+86）m連續(xù)剛構(gòu)橋第4～6跨；第3聯(lián)2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁第7、8跨；第4聯(lián)1 m×30 m簡支T梁第9跨。

（1）應(yīng)變測試截面：左幅第2、3、4聯(lián)第4、5、6、7、8、9跨最大正彎矩1-1、3-3、6-6、7-7、9-9、10-10截面，最大負(fù)彎矩2-2、5-5、8-8截面。

應(yīng)變測試方式：以主梁為中心，對斷面混凝土進(jìn)行表面應(yīng)力控制；用一臺JJM3812型靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，將標(biāo)距為80 mm、電阻為120 Ω的應(yīng)變計(jì)粘貼于混凝土表面。

（2）撓度測試截面：左幅第2、3、4聯(lián)第4、5、6、7、8、9跨最大正彎矩1-1、3-3、6-6、7-7、9-9、10-10截面。靜載試驗(yàn)測點(diǎn)布置見圖1所示。

3.1.2 試驗(yàn)荷載

采用等效彎矩、軸力等效的方法對各控制斷面加載，并保證各控制斷面的加載效率符合檢驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定。在測試前，先對裝載車輛稱重，然后根據(jù)實(shí)際結(jié)果對其進(jìn)行編組，從而確定每一種載荷狀態(tài)下的裝載位置。加載方式采用分級控制的方法，卸載方式選用依次慢速有序的方法。

3.2 動荷載試驗(yàn)

動荷載試驗(yàn)主要包括結(jié)構(gòu)的動力特性和動荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。試驗(yàn)采用脈動試驗(yàn)、行車余振激勵(lì)和連續(xù)剛構(gòu)橋模態(tài)測試三種激勵(lì)方式。脈動試驗(yàn)是在沒有車輛行駛的條件下，通過對周圍環(huán)境的隨機(jī)激勵(lì)的長期脈沖響應(yīng)測試。行駛余振激勵(lì)：一臺汽車在不同車速下行駛，對出橋后橋主梁的自由振動信號進(jìn)行采集。連續(xù)剛構(gòu)橋模態(tài)測試需要測量前三階豎向振型，動載試驗(yàn)程序分為五種工況，工況內(nèi)容包含脈動試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場條件，動載試驗(yàn)測點(diǎn)布置見圖2所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1.1 應(yīng)變檢測結(jié)果

以左幅主橋1-1截面正載應(yīng)變檢測結(jié)果為例，試驗(yàn)荷載作用下，左幅1-1截面正載實(shí)測應(yīng)變曲線見圖3所示，實(shí)測彈性應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變的比較見圖4所示（說明：圖中應(yīng)變以με為單位）。

該靜載荷載效率在0.85～1.05的范圍內(nèi)，達(dá)到了《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）中有關(guān)靜荷載試驗(yàn)中荷載的各項(xiàng)指標(biāo)。

結(jié)果可知，實(shí)測彈性應(yīng)變與理論計(jì)算的應(yīng)變值整體趨勢相同，在1-1、1-2、1-3、1-4測點(diǎn)處實(shí)測的彈性應(yīng)變值均低于理論計(jì)算應(yīng)變值，而在1-6、1-7、1-8測點(diǎn)處實(shí)測的彈性應(yīng)變值均不低于理論計(jì)算應(yīng)變值，至1-10測點(diǎn)處實(shí)測的彈性應(yīng)變值再次低于理論計(jì)算應(yīng)變值，整體存在一定的波動，但仍在可波動范圍內(nèi)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出：某大橋在試驗(yàn)荷載條件下呈彈性工作狀態(tài)，符合公路-Ⅰ級車輛荷載下的一般使用需求；左幅第2聯(lián)主橋連續(xù)剛構(gòu)橋和左幅第3聯(lián)引橋2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁的橋跨控制斷面上主要測點(diǎn)，其實(shí)測的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍分別為0.33～1.00和0.38～0.92，而左側(cè)第四聯(lián)引橋1 m×30 m的簡支T梁試驗(yàn)橋跨的主控制斷面上主要測點(diǎn)的應(yīng)變校核系數(shù)為0.36～0.61。此外，各荷載工況在卸載后各測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變均在20%范圍內(nèi)，均顯示了橋梁具有良好的穩(wěn)定性和性能。

4.1.2 撓度檢測結(jié)果

試驗(yàn)荷載作用下，某大橋左幅第2聯(lián)主橋連續(xù)剛構(gòu)橋試驗(yàn)橋跨的主要控制截面，其實(shí)測的最大彈性撓度為11.84 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.93；左幅引橋第3聯(lián)2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁試驗(yàn)橋跨的主要控制截面，其實(shí)測的最大彈性撓度為8.13 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67～0.97；左幅引橋第4聯(lián)1 m×30 m結(jié)構(gòu)簡支T梁試驗(yàn)橋跨實(shí)測顯示，主要控制截面的最大彈性撓度為5.40 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.36～0.49。

卸載后撓度恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點(diǎn)相對殘余撓度均在20%范圍內(nèi)。在試驗(yàn)荷載下，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的整體剛度達(dá)到了公路-I級車輛荷載的正常使用要求。

4.2 動荷荷載檢測結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)自振特性檢測。為確保橋梁在使用過程中的安全可靠，采用脈動激勵(lì)橋梁振動的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自振檢測，通過使用高靈敏加速度計(jì)捕捉的自振信號，進(jìn)而深入了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及自振頻率，具體的實(shí)測結(jié)果如表1所示。

（2）阻尼比。借用波形分析法得到橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)，左幅（86+160+86）m連續(xù)剛構(gòu)橋的阻尼比為4.22%；左幅2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁（7-7截面）的阻尼比為1.33%；左幅2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁（9-9截面）的阻尼比為1.28%；左幅1 m×30 m結(jié)構(gòu)簡支T梁（10-10截面）的阻尼比為1.34%。

（3）動力試驗(yàn)荷載加載效率見表2所示。

實(shí)測某大橋左幅第2聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋的豎向一階、二階、三階基頻，均高于相應(yīng)的理論計(jì)算值。實(shí)測1-1、3-3、6-6截面的沖擊系數(shù)在0.02～0.05之間，不大于理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.05。

左幅第3聯(lián)2 m×40 m結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁的豎向一階基頻為4.10 Hz，高于相應(yīng)的理論計(jì)算值2.73 Hz，實(shí)測阻尼比為1.33%。行車振動響應(yīng)分析顯示，實(shí)測基頻與脈動實(shí)測基頻接近，且均高于理論基頻。此外，實(shí)測7-7、9-9截面的沖擊系數(shù)在0.03～0.14范圍內(nèi)，不大于理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.16。

左幅第4聯(lián)1 m×30 m結(jié)構(gòu)簡支T梁的豎向一階基頻實(shí)測值為6.06 Hz，高于相應(yīng)的理論計(jì)算值3.77 Hz，實(shí)測阻尼比為1.34%。實(shí)測10-10截面沖擊系數(shù)在0.08～0.22范圍內(nèi)，不大于理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.22。

分析表明，實(shí)測某大橋左幅試驗(yàn)橋跨的動力特性和動力響應(yīng)均在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際荷載試驗(yàn)結(jié)果的較好符合性，證明了荷載試驗(yàn)對橋梁承載力評定的可靠性。通過有限元分析和實(shí)際荷載試驗(yàn)相結(jié)合的方法，能夠有效評估橋梁的承載能力，提高了工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)測某大橋左幅試驗(yàn)橋跨的動力特性和動力響應(yīng)，均在正常范圍內(nèi)?，F(xiàn)狀態(tài)下，該大橋左幅試驗(yàn)橋跨承載能力能夠滿足公路-I級車輛荷載的正常使用要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-03-22

作者簡介：馮魏（1991—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路橋梁靜動載試驗(yàn)檢測。