程天甫 周金枝

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430068)

鋼管混凝土拱橋施工難度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，主拱承受較大壓應(yīng)力，通過(guò)荷載試驗(yàn)可以清楚了解鋼管混凝土拱橋受力狀況，從而評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和承載能力，為橋梁的運(yùn)營(yíng)管理提供參考。對(duì)于鋼管混凝土拱橋的荷載試驗(yàn)一般要對(duì)拱頂、拱腳、梁體跨中及其他拱肋控制截面應(yīng)力和撓度、吊桿張力測(cè)定。試驗(yàn)工作可分為準(zhǔn)備階段(結(jié)構(gòu)計(jì)算、測(cè)試截面和加載方式的確定)、加載階段(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))、分析和總結(jié)階段。

1 荷載試驗(yàn)的依據(jù)

本次關(guān)于下承式鋼管混凝土拱橋荷載試驗(yàn)的依據(jù)或參考以下規(guī)范和資料來(lái)進(jìn)行:

1)JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范;2)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范;3)JTG F80 1-2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn);4)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》送審稿;5)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》;6)JTG H11-2004公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范。

2 荷載試驗(yàn)的目標(biāo)

按照上節(jié)荷載試驗(yàn)的依據(jù)中有關(guān)橋梁鑒定、檢測(cè)的要求，對(duì)新建成橋梁進(jìn)行常規(guī)意義上的試驗(yàn)，確定橋梁建造的質(zhì)量和橋梁的承載能力及運(yùn)營(yíng)安全性。因此，通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，達(dá)到以下要求:

1)對(duì)橋梁的外觀、線(xiàn)形進(jìn)行檢查和測(cè)量，檢查橋梁的建造質(zhì)量是否滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求;2)通過(guò)靜載試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試截面的應(yīng)變分布情況、截面的抗裂性等進(jìn)行分析，并評(píng)估橋梁機(jī)構(gòu)實(shí)際承載能力;3)通過(guò)分析在荷載試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)截面的撓度情況來(lái)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的剛度及整體性;4)通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，了解橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，確定其動(dòng)力性能;5)建立橋梁“指紋”檔案。

3 荷載試驗(yàn)的思路及內(nèi)容

根據(jù)鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與其他同類(lèi)橋型的荷載試驗(yàn)作為經(jīng)驗(yàn)，橋梁荷載試驗(yàn)時(shí)，首先根據(jù)橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)橋梁控制截面、控制內(nèi)力、加載方式確定，然后在結(jié)構(gòu)控制截面進(jìn)行有針對(duì)性地測(cè)點(diǎn)布置。最后對(duì)加載試驗(yàn)所得到該測(cè)試截面參數(shù)與理論檢算值進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)定結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力和工作性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。下面以鄭州市龐村特大橋?yàn)槔M(jìn)行荷載試驗(yàn)分析。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，圖2。荷載試驗(yàn)主要測(cè)試拱肋與梁體截面的應(yīng)力、撓度，各吊桿張力以及橋梁自振特性與動(dòng)力特性。

3.1 計(jì)算分析

在試驗(yàn)前運(yùn)用橋梁專(zhuān)用計(jì)算軟件MIDAS/Civil對(duì)橋梁空間構(gòu)模，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元靜力計(jì)算分析，得出全橋的受力情況。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要包括:1)靜載試驗(yàn)。根據(jù)鋼管拱橋受力特點(diǎn)綜合考慮結(jié)構(gòu)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)截面，按各截面最不利荷載進(jìn)行加載。在試驗(yàn)實(shí)施前，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行詳細(xì)的理論計(jì)算，制訂詳細(xì)的加載方案，防止結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)超載，確保結(jié)構(gòu)安全。本橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，其主要傳力路徑是:橋面活載等通過(guò)橋面系傳至縱橫梁，再由縱梁的吊桿傳至主拱圈(拱肋)，因此，拱肋、吊桿和縱梁為主要受力構(gòu)件，荷載試驗(yàn)主要測(cè)試這些構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力和位移等響應(yīng)和變化。2)動(dòng)載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)主要對(duì)橋梁自身的動(dòng)力特性的反映。采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀和三向加速度傳感器收集橋梁頻率、振型、阻尼比以及動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)力、加速度、沖擊系數(shù)等，然后進(jìn)行分析，綜合了解橋梁動(dòng)力特性。

4 靜載試驗(yàn)測(cè)試

4.1 加載原則

靜力試驗(yàn)荷載效率η=Sstat/S×δ應(yīng)滿(mǎn)足0.85＜η≤1.05，其中，Sstat為試驗(yàn)荷載作用下某工況最大計(jì)算效應(yīng)值;S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載不計(jì)沖擊作用時(shí)產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)值;δ為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的動(dòng)力增大系數(shù)。

4.2 加載方式

對(duì)試驗(yàn)荷載應(yīng)分級(jí)施加，以測(cè)試荷載效應(yīng)與荷載的變化關(guān)系以及防止橋梁結(jié)構(gòu)意外損傷。試驗(yàn)加載分為4級(jí)，荷載逐級(jí)增加，達(dá)到最大荷載后一次卸載。測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，在保證每一次加載工況穩(wěn)定的情況下讀取數(shù)據(jù)，該級(jí)荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定后進(jìn)入下一個(gè)荷載階段。對(duì)試驗(yàn)工況中應(yīng)力水平較高測(cè)點(diǎn)采用連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)控制斷面撓度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步連續(xù)監(jiān)測(cè)，以觀測(cè)結(jié)構(gòu)變位是否達(dá)到穩(wěn)定。

4.3 試驗(yàn)加載程序

在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前，用兩排載重加載車(chē)進(jìn)行橫橋向?qū)ΨQ(chēng)預(yù)加載試驗(yàn)，為避免梁體局部產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力，兩排車(chē)輛后輪間距適當(dāng)拉開(kāi)。首先進(jìn)行預(yù)加載，每一加載位置持荷時(shí)間不少于20 min。然后預(yù)加載卸零，并在結(jié)構(gòu)得到充分的零荷恢復(fù)后，再進(jìn)入正式加載試驗(yàn)。正式加載試驗(yàn)按加載級(jí)數(shù)依次進(jìn)行。

4.4 試驗(yàn)過(guò)程中安全監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)加載時(shí)對(duì)重點(diǎn)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)點(diǎn)、重點(diǎn)撓度測(cè)點(diǎn)及主要受力部位的裂縫進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，如在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下幾種情況中的任一情況，應(yīng)暫停試驗(yàn)，分析原因，找出原因后再繼續(xù)加載或終止試驗(yàn):

1)測(cè)得的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和撓度測(cè)量點(diǎn)的值有一個(gè)值超過(guò)規(guī)范允許值;2)由于加載，使原有裂縫的長(zhǎng)度、寬度急劇增加，新裂縫急劇出現(xiàn)，新出現(xiàn)裂縫寬度超過(guò)規(guī)范允許值，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)和壽命造成較大影響時(shí);3)發(fā)生橋梁其他損壞，影響橋梁承載能力或正常使用時(shí)。

5 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試

動(dòng)載試驗(yàn)分為脈動(dòng)試驗(yàn)和行車(chē)試驗(yàn)。

5.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是由橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)、水流、地脈動(dòng)等自然荷載下的激振引起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，在相對(duì)封閉的環(huán)境(交通封閉、橋梁周?chē)鸁o(wú)規(guī)則振源等)下，測(cè)定結(jié)構(gòu)自振特性。測(cè)試時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)傳感器采用中低頻段測(cè)量在自然環(huán)境下橋梁的響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)和信號(hào)的采集分析，可得到橋梁的各階自振頻率和振型值，利用半功率帶寬法確定各階模態(tài)阻尼比等橋梁自振特征參數(shù)，從而確定橋梁的自身的動(dòng)力特征。并將實(shí)測(cè)值與計(jì)算值、規(guī)范值進(jìn)行比較和分析，對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試的時(shí)間選為夜間進(jìn)行。

5.2 行車(chē)試驗(yàn)

1)跑車(chē)試驗(yàn):一輛載重汽車(chē)(總重約30 t)以多種速度(10 km/h，20 km/h，40 km/h，60 km/h)行駛過(guò)試驗(yàn)跨。測(cè)定截面在行車(chē)車(chē)輛荷載下動(dòng)力的反應(yīng)狀況。

2)跳車(chē)試驗(yàn):一輛30 t試驗(yàn)汽車(chē)在試驗(yàn)跨的指定位置(跨中等)，啟動(dòng)、后輪越過(guò)一厚8 cm的板條，然后停車(chē)。測(cè)試橋梁在豎向沖擊荷載作用下的豎向、橫橋向動(dòng)力響應(yīng)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)鋼管混凝土拱橋荷載試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析可知，拱肋的抗壓強(qiáng)度及梁體的抗裂性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2)通過(guò)對(duì)鋼管混凝土拱橋荷載試驗(yàn)跨撓度數(shù)據(jù)的分析可知結(jié)構(gòu)剛度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以確定其橋跨結(jié)構(gòu)是否具有較好的剛度。

3)橋梁動(dòng)力特性的各項(xiàng)指標(biāo)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，反映橋梁動(dòng)力性能是否正常，同時(shí)也可以反映靜測(cè)結(jié)論是否正常。

任何一座橋梁都要經(jīng)歷一個(gè)生命的周期，對(duì)數(shù)量眾多且具有橋梁的工作性能進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，荷載試驗(yàn)也就顯得非常重要。

［1］胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］王鼎國(guó)，袁海慶，陳開(kāi)利.橋梁檢測(cè)與加固［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］潘松林，張紅陽(yáng).公路橋梁檢測(cè)概述［J］.城市道橋與防洪，2003(9):65.

［4］王 濤.鋼管混凝土拱橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［5］高文博，朱瑞允.下承式混凝土剛性系桿拱橋靜載試驗(yàn)及仿真分析［J］.山西建筑，2013，39(10):191-192.