張宏祥，劉 泉

（1.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱150040；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300074）

0 序言

三棵樹跨線橋跨越三棵樹交通的鐵路干線，是哈爾濱通往賓縣、木蘭、通河等農(nóng)業(yè)地區(qū)的通道，對(duì)支持工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，方便群眾，保證安全等都有重大意義。該橋始建于1965年，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)多年，橋面鋪裝已發(fā)生嚴(yán)重破損，表面凹凸不平，各主梁之間橫向連接較弱，基本已失去作用，不能有效地傳遞剪力，出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，在車輛荷載作用下主梁橫向分布不均，個(gè)別底板梁底有縱向裂縫，最大的裂縫長(zhǎng)達(dá)2.5 m，裂縫寬達(dá)0.3 mm，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。為了解該橋的實(shí)際技術(shù)狀況，對(duì)該橋進(jìn)行了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)。

1 靜載試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

靜載試驗(yàn)是橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的一個(gè)主要內(nèi)容，其目的是測(cè)試主橋結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，以評(píng)定橋梁現(xiàn)有技術(shù)狀況和實(shí)際承載能力，為大橋的維修與加固提供理論依據(jù)[1]。

1.1 加載工況和測(cè)點(diǎn)布置

該橋?yàn)檠b配式預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁橋，共9孔，每孔16.8 m，全長(zhǎng)151.20 m，橋梁橫斷面圖見圖1。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和橋下交通情況，擬選定主橋東側(cè)方向10＃橋臺(tái)和9＃橋墩為靜載試驗(yàn)孔，以減少支架搭設(shè)費(fèi)用，同時(shí)把對(duì)交通的影響降至最低程度。選取試驗(yàn)孔跨中斷面和9＃墩墩底為測(cè)試截面，見圖2。

該橋原設(shè)計(jì)荷載為汽-13，按照新橋規(guī)采用0.75倍的公路-Ⅱ級(jí)荷載作為設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載計(jì)算出各有關(guān)截面的變形和內(nèi)力荷載效應(yīng)[2]。試驗(yàn)荷載車輛全部采用3軸汽車加載，按照各控制截面的內(nèi)力和變形影響線，根據(jù)荷載效應(yīng)等效原則[3]計(jì)算各試驗(yàn)工況需要使用的汽車數(shù)量。各工況的試驗(yàn)荷載效率見表1。

表1 各工況試驗(yàn)荷載加載工況及其加載效率匯總表

在試驗(yàn)孔跨中斷面梁底緣各設(shè)1塊百分表，共設(shè)11塊表。主梁混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于跨中截面1#邊梁的側(cè)面，沿梁高共設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變采用JMZX-200X綜合測(cè)試儀、智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)用千分表對(duì)電測(cè)結(jié)果進(jìn)行校核。

在9#墩北側(cè)第1根和第6根柱東側(cè)方向，距底面50 cm處各設(shè)1塊百分表，共設(shè)2塊表。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 試驗(yàn)孔跨中截面撓度測(cè)試分析

在跨中截面2個(gè)加載工況中，跨中截面發(fā)生最大撓度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值，即撓度校驗(yàn)系數(shù)見表2。

表2 最大撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較表

表2中的數(shù)據(jù)表明，在工況1和工況2試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)孔主梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值分別為0.463和0.394，小于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)η的常見值0.6～1.0的下限值。根據(jù)撓度試驗(yàn)值，按除恒載因素外的短期荷載組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度的試驗(yàn)值與計(jì)算跨徑比值，均小于l/600。表2中數(shù)據(jù)亦表明在工況1試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)的主梁撓度最大的是5#梁，而理論上應(yīng)該是6＃梁，產(chǎn)生理論與實(shí)際相背離的主要原因是5＃梁與6＃梁無可靠的橫向連接。在工況2試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)主梁的撓度分布規(guī)律與理論基本相符。

上述分析說明該梁的豎向剛度能夠滿足0.75倍的公路-II級(jí)荷載的設(shè)計(jì)和使用要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在工況1和工況2試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)孔主梁跨中撓度的相對(duì)殘余變形均小于10%，表明橋跨結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。

1.2.2 試驗(yàn)孔跨中截面應(yīng)變測(cè)試分析

在工況1和工況2試驗(yàn)荷載作用下，混凝土應(yīng)變沿梁高分布基本呈線性分布。為減少試驗(yàn)誤差，應(yīng)用最小二乘法原理對(duì)各截面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定一條誤差較小的最佳試驗(yàn)曲線，即沿梁高變化的直線方程。根據(jù)最佳試驗(yàn)曲線，將應(yīng)變乘以混凝土彈性模量，即得到相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)力，工況1試驗(yàn)荷載作用下1#梁和工況2試驗(yàn)荷載作用下1#梁應(yīng)變曲線見圖3和圖4。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到，混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.267～0.711，跨中斷面混凝土應(yīng)變沿梁高的變化基本符合受彎構(gòu)件的平面假設(shè)。混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.711，介于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)常見值0.5～0.9之間，但接近于《公路橋梁承載力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》常見預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的上限值。這說明該橋混凝土強(qiáng)度雖然能滿足0.75倍公路II級(jí)荷載的設(shè)計(jì)及使用要求，但安全儲(chǔ)備小。

1.2.3 試驗(yàn)孔基礎(chǔ)沉降分析

在工況3和工況4試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)橋墩基礎(chǔ)最大沉降為0.035 mm，卸載后沉降全部恢復(fù)。因此，基礎(chǔ)在試驗(yàn)荷載作用下能正常工作。

2 動(dòng)載試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)概括加載工況和測(cè)點(diǎn)布置

動(dòng)載試驗(yàn)采用一輛試驗(yàn)汽車作為動(dòng)力試驗(yàn)荷載，車重為16.42 t，用于跑車、剎車和跳車試驗(yàn)。

跑車試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)車在該橋的下行車道的中線位置進(jìn)行單向行駛，行駛方向以市區(qū)方向往水泥廠方向行駛，分別以5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的車速均勻駛過橋面。剎車試驗(yàn)，試驗(yàn)車在該橋的下行車道的中線位置進(jìn)行行駛，分別以20 km/h、30 km/h的車速均勻行駛，在進(jìn)過控制斷面時(shí)由指揮人員給出剎車手勢(shì)，進(jìn)行剎車試驗(yàn)。跳車試驗(yàn)時(shí)，將事先做好的三角墊木（高度為15 cm）放在控制斷面位置處，試驗(yàn)車后輪壓在三角墊木上，使車輪突然下落給橋面一瞬間沖擊力。

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主梁的裂縫情況，選定1號(hào)臺(tái)至2號(hào)墩之間的邊跨為試驗(yàn)孔，跨中斷面作為這次動(dòng)載試驗(yàn)的控制斷面。

在試驗(yàn)孔跨中斷面的橋面一側(cè)防撞墻內(nèi)側(cè)10 cm，設(shè)置一個(gè)豎向速度計(jì)，和一個(gè)縱橋向速度傳感器作為動(dòng)態(tài)特性測(cè)點(diǎn)。在試驗(yàn)孔跨中斷面的的邊梁（1＃主梁）及中主梁（5＃主梁）的梁底緣分別設(shè)置一個(gè)混凝土動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)作為動(dòng)力響應(yīng)測(cè)點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 自振頻率f0測(cè)試

跑車試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)荷載試驗(yàn)車輛駛離試驗(yàn)橋跨后，由于慣性的作用試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不會(huì)立即恢復(fù)到平衡位置，仍在自振。在進(jìn)行跳車試驗(yàn)時(shí)，突然施加于橋面的沖擊荷載激起橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)。但由于阻尼作用的存在，消耗了振動(dòng)的能量，結(jié)果振動(dòng)在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)逐漸衰減，直到橋跨結(jié)構(gòu)恢復(fù)到穩(wěn)定平衡位置為止。

利用放置在試驗(yàn)孔橋面上的速度傳感器測(cè)得沖擊荷載下橋跨結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)的時(shí)域曲線。對(duì)采集到的時(shí)間歷程圖波形進(jìn)行頻譜分析，獲得自振頻率f0=4.11 Hz，跳車試驗(yàn)荷載作用下試驗(yàn)測(cè)試斷面豎向固有頻率圖與時(shí)間歷程圖見圖5。

理論計(jì)算所得的主梁自振頻率f0=4.12 Hz（未考慮橋面鋪裝作用，僅計(jì)算主梁的自振頻率），實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)十分接近，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體性比較差。

在進(jìn)行動(dòng)荷載剎車試驗(yàn)時(shí)，分別以20 km/h、30 km/h的車速均勻行駛，實(shí)測(cè)縱向固有頻率圖見圖6和圖7。分析所得三棵樹跨線橋縱向固有頻率依次為 f20=3.82 Hz；f30=4.01 Hz。

2.2.2 阻尼特性測(cè)試

橋梁在振動(dòng)過程中，除受介質(zhì)阻尼作用外，還受材料內(nèi)部阻尼、支座摩擦等作用影響。阻尼作用可對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起到衰減作用，這對(duì)降低動(dòng)荷載的動(dòng)力作用、減少結(jié)構(gòu)材料的疲勞破損是有利的。通過利用放置在試驗(yàn)孔橋面上的速度傳感器測(cè)得跑車作用下橋跨結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)的時(shí)域曲線，對(duì)采集到的時(shí)間歷程圖波形進(jìn)行分析，無負(fù)載阻尼特性值ζ1=0.076 5，試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)圖見圖8。

結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)阻尼比0.076 5，而橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%，這說明橋跨結(jié)構(gòu)具有較大的阻尼，對(duì)減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)是有利的。

2.2.3 沖擊系數(shù)測(cè)試

不同車速的測(cè)試斷面處的沖擊系數(shù)見表3，分析沖擊系數(shù)與車速之間的相關(guān)關(guān)系見圖9。

表3 不同車速下沖擊系數(shù)1+μ試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）計(jì)算的沖擊系數(shù)為1.234 5，實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)較大，主要是橋面不平整所致。

3 結(jié)論

通過對(duì)該橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）在試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)孔主梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.463，均小于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)η的常見值0.6～1.0的下限值。說明該梁的豎向剛度滿足0.75倍的公路II級(jí)荷載的設(shè)計(jì)和使用要求，且有一定的安全儲(chǔ)備，撓度相對(duì)殘余變形均小于10%，橋跨結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。

（2）主梁混凝土應(yīng)變分析表明，控制斷面混凝土應(yīng)變沿梁高的變化基本符合受彎構(gòu)件的平面假設(shè)。主梁混凝土應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.711，接近于常見預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的上限值。這說明該橋混凝土強(qiáng)度能滿足0.75倍公路II級(jí)荷載的設(shè)計(jì)及使用要求。

（3）沖擊荷載下橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率f0=4.11 Hz與理論計(jì)算所得的主梁自振頻率f0=4.12 Hz十分接近。

（4）跑車作用下橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)阻尼比ζ1=0.0765，橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%。這說明橋跨結(jié)構(gòu)有較大的阻尼，對(duì)減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)有利。

（5）不同車速下的沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該橋具有較大的沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)隨車速的增大而增大，在時(shí)速為40 km/h時(shí)，沖擊系數(shù)達(dá)1.331，表明該橋具有較大振動(dòng)。這主要是由于橋面破損，橋面平整度差所致。

綜上所述，主梁跨中斷面的抗彎承載力和豎向剛度均能夠滿足0.75倍的公路Ⅱ級(jí)荷載的設(shè)計(jì)和使用要求，但不能滿足公路Ⅱ級(jí)荷載的設(shè)計(jì)和使用要求。該橋橋面破損嚴(yán)重，鉸縫失效，空心板處于單板受力，存在嚴(yán)重的安全隱患，且該橋年久失修，漏水嚴(yán)重，橋梁耐久性不足。為保證交通安全，對(duì)該橋提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低，已不能滿足日益增長(zhǎng)的交通量及重交通的使用要求，存在安全隱患，建議重建。

（2）如不能及時(shí)重建，在臨時(shí)通車期間，為保證安全，應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施：

應(yīng)限重通行，限重的標(biāo)準(zhǔn)為0.75倍的公路II級(jí)汽車荷載；應(yīng)對(duì)過往的車輛限速，車速不超過30 km/h；拆除原有的橋面鋪裝，恢復(fù)主梁鉸縫處的橫向連接鋼筋，加鋪15 cm×15 cm的直徑12 mm的橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)，重新澆注混凝土橋面；油毛氈支座失效，建議更換為橡膠支座。

（3）如無重建的可能，也可考慮對(duì)該橋進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固方案。

[1]宋一凡，賀拴海.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]諶潤(rùn)水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]胡大琳.橋涵工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2000.