張蔚偉

1 同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系（200092） 2 淮安市政設(shè)計(jì)院有限公司（223000）

橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載測(cè)試的一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)工作,其目的是通過(guò)荷載試驗(yàn)，了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài),從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，評(píng)價(jià)營(yíng)運(yùn)質(zhì)量[1～3]。對(duì)新建橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)不但可以準(zhǔn)確評(píng)定橋梁的承載能力，而且是對(duì)設(shè)計(jì)與施工的驗(yàn)證，為以后的橋梁設(shè)計(jì)與施工積累一定的資料。

本文結(jié)合南通市某新建城市橋梁大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的荷載試驗(yàn),詳細(xì)闡述了荷載試驗(yàn)內(nèi)容及其橋梁承載力評(píng)定。該橋主橋采用雙幅分離式（50+80+50）m單箱雙室度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，底寬11.5 m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)2.75 m，橋面寬17.0m，中支點(diǎn)處梁高 4.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高及底板厚按二次拋物線變化。橋梁立面布置及橫斷面見(jiàn)圖1、圖2。該橋荷載試驗(yàn)的工作內(nèi)容包含了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、靜載動(dòng)載試驗(yàn)。

圖1 橋梁立面布置圖(單位:cm)

圖2 主橋橫截面圖(單位:cm)

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案前，需要對(duì)橋梁的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與檢測(cè)，獲取橋梁的實(shí)際幾何參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)加載計(jì)算。主要包括橋跨結(jié)構(gòu)線形和結(jié)構(gòu)外觀主要缺陷和病害調(diào)查。

1.1 靜載試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的試驗(yàn)加載模擬計(jì)算。本文首先用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。建立的全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

根據(jù)試驗(yàn)加載模擬計(jì)算,確定主橋各測(cè)試控制截面,如圖4所示。

圖4主橋測(cè)試控制截面

各測(cè)試截面的具體測(cè)試內(nèi)容即測(cè)試工況如下表1所示。

表1 各測(cè)試截面測(cè)試工況表

1）測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力測(cè)試采用穩(wěn)定性好、精度高適于野外環(huán)境的表面振弦式應(yīng)變計(jì)，其測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5所示(腹板測(cè)點(diǎn)距上翼緣和底板各 5 cm)。

圖 5 主橋1-1、3-3截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

主梁豎向撓度，擬通過(guò)在箱梁底面布置棱鏡，采用徠卡2003全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量，在底板外側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5的點(diǎn)3、5所示。

2）加載車輛

車輛的加載方式包括了縱向加載布置和橫向加載布置。選用的車型按照規(guī)范[4,5]，靜載試驗(yàn)采用30 t車進(jìn)行等效加載，車型如圖6所示。

圖6 加載車型圖(單位:cm)

3）車輛橫向布置方式

車輛加載的橫向布置方式,除負(fù)彎矩加載工況只采用對(duì)稱加載外,其正彎矩加載工況均采用對(duì)稱和偏載兩種加載工況。

4）車輛縱向布置方式

車輛的縱向布置方式按照計(jì)算各工況最不利的情況進(jìn)行加載，以主橋工況3(3-3截面)縱向加載為例，車輛縱向加載如圖7所示。

圖7 主橋工況3(3-3截面)縱向加載示意圖(單位:m)

1.2 動(dòng)載試驗(yàn)方案

1）自振特性測(cè)試

通過(guò)高靈敏度動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特征。

2）車輛激振試驗(yàn)

車輛激勵(lì)試驗(yàn)工作內(nèi)容包括行車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)。測(cè)試截面選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)受力最大的位置，本橋動(dòng)應(yīng)變傳感器布置在主橋跨中箱梁底面。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)性能評(píng)定根據(jù)如下:①施工圖進(jìn)行計(jì)算得到的理論檢算值；②規(guī)范規(guī)定的撓度、強(qiáng)度和裂縫容許值[2,3]。本項(xiàng)目主要評(píng)定項(xiàng)目為:

1）校驗(yàn)系數(shù)

校驗(yàn)系數(shù):評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況，確定橋梁承載能力的重要指標(biāo)。其計(jì)算可統(tǒng)一采用:

η=實(shí)測(cè)值/理論值

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為當(dāng)1.0≥η≥0.6時(shí)[4]，可反映結(jié)構(gòu)的控制截面在擬定荷載等級(jí)作用下工作性能良好。此時(shí)，結(jié)構(gòu)既有一定的安全儲(chǔ)備，且試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理，加載適中。

2）實(shí)測(cè)值和理論值關(guān)系曲線

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)假定材料處于線彈性工作狀態(tài)。如果測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值成正比，其關(guān)系曲線接近直線，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于良好彈性工作狀況。

3）相對(duì)殘余應(yīng)變

正常運(yùn)營(yíng)的橋梁應(yīng)無(wú)殘余撓度，若出現(xiàn)殘余撓度，說(shuō)明橋梁受到嚴(yán)重?fù)p傷或某處截面進(jìn)入彈塑性。測(cè)點(diǎn)在控制荷載工況作用下的相對(duì)殘余變位Sp/St越小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。

4）結(jié)構(gòu)剛度要求

試驗(yàn)荷載作用下，主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)η應(yīng)不大于1。各測(cè)點(diǎn)撓度應(yīng)不超過(guò)規(guī)范規(guī)定允許值[6]。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

限于篇幅,列出工況1和3下左右幅主橋撓度分析結(jié)果。

相對(duì)殘余變形分析也以主橋?yàn)槔?在各試驗(yàn)工況荷載作用下實(shí)測(cè)與分析，見(jiàn)表2所示。

表2 各工況下測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形表

從表2中所計(jì)算的相對(duì)殘余變形可以看出,在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)試斷面卸載后其相對(duì)殘余變形較小，均在文獻(xiàn)[6]規(guī)定的20%以內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

各控制截面的撓度實(shí)測(cè)值如下表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出:

1）各撓度控制截面在試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，且處于常值范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 城北大橋靜載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果分析表（單位:mm）

2）各撓度控制截面的實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的L/600，表明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，滿足規(guī)范要求。

3）各工況偏載作用下，底板兩側(cè)的撓度變化不明顯，結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

3.2 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析僅以左車道左幅主橋腹板工況1對(duì)稱加載情況下為例，其實(shí)測(cè)值和理論值比較分析如圖8所示。

圖8 左幅主車道主橋工況1對(duì)稱加載下兩側(cè)腹板應(yīng)力分布圖

通過(guò)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的分析，可得出如下結(jié)論:

1）各控制截面在試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)力實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，其應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，且處于常值范圍內(nèi)，這表明其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在試驗(yàn)荷載對(duì)稱和偏載作用下，箱梁腹板上沿高度的應(yīng)變基本呈線性分布，符合平截面假定，表明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)處于線彈性工作狀態(tài)。

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以往對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試的實(shí)踐,本次試驗(yàn)采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法。拾振儀采用國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)的891－Ⅱ速度型傳感器。由采集的各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖，通過(guò)傳函分析和模態(tài)擬合，可得出橋梁的自振頻率和阻尼比如表4所示。

表4 自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表

1）實(shí)測(cè)自振頻率值均略大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）左幅主道橋主橋和左幅輔道橋主橋一階自振頻率實(shí)測(cè)值分別為1.514 Hz和1.465 Hz,由于自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，因此該特征參數(shù)可作為今后定期檢查的一個(gè)參考指標(biāo)。

3）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)比較穩(wěn)定，在剎車和跨越障礙作用下，動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)增長(zhǎng)較小，表明實(shí)際動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)城北大橋大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的靜載試驗(yàn)與動(dòng)載試驗(yàn)及其結(jié)果評(píng)定分析的闡述得出以下結(jié)論:

1）在試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值,其撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)也小于1.0且且控制截面撓度實(shí)測(cè)值小于規(guī)范規(guī)定的L/600，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2）橋梁相對(duì)殘余變形較小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度能夠恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

3）偏載作用下，底板兩側(cè)的撓度較對(duì)稱加載稍變化較小，偏載效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)抗扭剛度好。

4）實(shí)測(cè)一階自振頻率值均略大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求。該參數(shù)可作為今后定期檢查的一個(gè)參考指標(biāo)。

[1]章關(guān)永.橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].人民交通出版社,2002.

[2]宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定[M].2002.

[3]長(zhǎng)安大學(xué)編.公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程[S].2007.

[4]CJJ11－1993,城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S],1993.

[5]CJJ77－1998,城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)[S].1993.

[6]交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[M].北京:1982,10.