孔繁龍

（揚(yáng)州市航道管理處 揚(yáng)州 225003）

為了保證新建橋梁成橋后的正常運(yùn)營，有必要通過橋梁現(xiàn)場荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試，以此確定橋梁的實(shí)際承載能力。橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)［1－3］。

1 施橋運(yùn)河大橋工程概況

施橋運(yùn)河大橋主橋?yàn)?32m預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，采用剛性系桿剛性拱，計(jì)算跨徑L＝128.66m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1／5，矢高25.732m；拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為12m，橫向布置為0.5m（護(hù)欄）＋1m（人行道）＋9m（車行道）＋1m（人行道）＋0.5m（護(hù)欄）。設(shè)計(jì)荷載為公路－II級(jí)，人群荷載為3.0kN／m2。大橋立面布置見圖1。為了檢驗(yàn)成橋后橋梁的承載能力是否滿足正常使用狀況的要求以及評(píng)估實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，對(duì)全橋展開荷載試驗(yàn)分析。

圖1 施橋運(yùn)河大橋立面布置圖（單位：cm）

2 荷載試驗(yàn)實(shí)施方案設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算方法和有限元模型

該橋橫向設(shè)計(jì)為2個(gè)行車道，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路－II級(jí)、人群荷載3.0kN／m2。利用橋梁結(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。在設(shè)計(jì)荷載作用下主橋的彎矩包絡(luò)值見圖2，根據(jù)活載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖以及現(xiàn)場可操作平臺(tái)最終確定各控制截面具體位置見圖3。

圖2 設(shè)計(jì)荷載作用下彎矩包絡(luò)圖

圖3 測(cè)試截面位置示意圖（單位：m）

各測(cè)試截面的具體測(cè)試內(nèi)容見表1。

表1 各測(cè)試截面測(cè)試項(xiàng)目表

2.2 靜載試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)采用30t三軸載重汽車進(jìn)行加載進(jìn)行等效加載，為保證試驗(yàn)效果，試驗(yàn)荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηd進(jìn)行控制，ηd要求在0.95～1.05之間，各截面荷載效率系數(shù)見表2。

靜載試驗(yàn)效率為

式中：Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下控制截面的內(nèi)力計(jì)算值；S為控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

應(yīng)力、撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖4、圖5。由于橋梁的測(cè)試工況較多，文中僅選取3／4跨截面進(jìn)行分析，加載示意圖見圖6、圖7。

圖4 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 工況1車輛平面加載圖（單位：cm）

圖7 工況2車輛平面加載圖（單位：cm）

各荷載工況的荷載效率系數(shù)見表2。

表2 各截面荷載效率系數(shù)計(jì)算表

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)方案

動(dòng)載試驗(yàn)包括車輛激勵(lì)試驗(yàn)和自振特性測(cè)試試驗(yàn)2部分。

車輛激勵(lì)試驗(yàn)的測(cè)試截面選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大的截面8－8處，布設(shè)KD4001工具式動(dòng)應(yīng)變計(jì)，見圖8，采用DRA－107A數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀對(duì)跑車、剎車、跳車分別進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)采集。車輛激勵(lì)試驗(yàn)加載車型同靜動(dòng)試驗(yàn)。但由于多輛車無法做到對(duì)橋同步激勵(lì)，所以試驗(yàn)時(shí)選擇1輛車進(jìn)行激勵(lì)試驗(yàn)。

圖8 動(dòng)應(yīng)變測(cè)試傳感器布置圖

采取脈動(dòng)法進(jìn)行自振測(cè)試，使用國家地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)891－II速度傳感器作拾振器，布設(shè)在橋面兩側(cè)，見圖9。放大裝置采用與之匹配的DLF－8型四合一放大器，采集器采用東方所INV306DF智能信號(hào)采集處理分析儀，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)見圖10。

圖9 脈動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖（單位：cm）

圖10 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

采用DASP軟件分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，根據(jù)相關(guān)自相關(guān)譜、互相關(guān)譜、各點(diǎn)相位及相干系數(shù)確定各階頻率。結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)用阻尼比Dn表示為：

式中：fn為第n階頻率；Δf為第n階半功率帶寬頻率。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 靜載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)性能評(píng)定根據(jù)如下：①按施工圖進(jìn)行計(jì)算得到的理論檢算值；②按規(guī)范規(guī)定的撓度、強(qiáng)度和裂縫容許值。從校驗(yàn)系數(shù)、實(shí)測(cè)值和理論值的關(guān)系曲線、相對(duì)殘余變位（或應(yīng)力）、結(jié)構(gòu)剛度要求等4個(gè)方面來對(duì)該橋進(jìn)行評(píng)定，見圖11，12，表3，4。

圖11 試驗(yàn)荷載作用下截面撓度圖

圖12 試驗(yàn)荷載作用下腹板應(yīng)力圖

表3 試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形表

表4 工況2荷載作用下關(guān)鍵截面應(yīng)力分析表

由圖11、圖12，表3、表4可知：

（1）在試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

（2）在試驗(yàn)荷載作用下，控制截面的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均小于理論值，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（3）位移測(cè)試控制截面量測(cè)的相對(duì)殘余變形均在《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》［4］要求的20%范圍以內(nèi)，表明卸載之后結(jié)構(gòu)的變形能夠及時(shí)恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

脈動(dòng)測(cè)試時(shí)，分次采集的各測(cè)點(diǎn)速度信號(hào)，典型測(cè)點(diǎn)時(shí)程波形曲線和自功率譜見圖13～圖16。

圖13 1號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)程波形曲線

圖14 1號(hào)測(cè)點(diǎn)自功率譜

圖15 6號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)程波形曲線

圖16 6號(hào)測(cè)點(diǎn)自功率譜

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖，通過DASP軟件分析系統(tǒng)進(jìn)行傳函分析和模態(tài)擬合，得出主橋的自振頻率和阻尼比見表5。

表5 振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表

部分典型動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線實(shí)測(cè)圖見圖17，各工況下實(shí)測(cè)動(dòng)力放大系數(shù)結(jié)果見表6。

圖17 激勵(lì)試驗(yàn)下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域波形圖

表6 車輛激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果匯總

由圖13～圖17，表5、表6數(shù)據(jù)可知：

（1）由模態(tài)試驗(yàn)基頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，試驗(yàn)橋跨自振頻率實(shí)測(cè)值略大于計(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）本次試驗(yàn)橋梁一階頻率實(shí)測(cè)值為0.78 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)可作為今后檢查的一個(gè)參考指標(biāo)。

（3）在勻速跑車作用下，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)增長較小，表明實(shí)際動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

4 結(jié)語

荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，施橋運(yùn)河大橋主橋受力性能和正常使用狀態(tài)承載能力滿足公路－II級(jí)荷載等級(jí)的使用要求。

［1］崔國宏，沈東強(qiáng)，高 麗，等.新保安大橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007（8）：5－7.

［2］韓 艷，陳政清.茅草街大橋動(dòng)力特性有限元模擬與分析［J］.公路，2003（3）：66－70.

［3］李運(yùn)生，張博慶，張彥玲.鋼管混凝土拱橋空間自振特性的分析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，10（4）：21－25.

［4］JTG／TJ21－2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.