劉耀東, 曹紅焱, 唐 齊, 張若鋼, 薛其林

(1 湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068; 2 中鐵大橋武漢橋梁科學研究院，湖北 武漢 430068)

某公路橋荷載試驗研究

劉耀東1, 曹紅焱1, 唐 齊1, 張若鋼2, 薛其林2

(1 湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068; 2 中鐵大橋武漢橋梁科學研究院，湖北 武漢 430068)

依據(jù)靜載試驗所需工況，活荷載在設計范圍內(nèi)最不利橋梁安全位置，按理論公式和規(guī)范中相應的標準計算得出參數(shù)。采用了midas/civil有限元模型模擬各工況下橋梁內(nèi)力和位移的變化，發(fā)現(xiàn)結(jié)構在試驗所給荷載下的橋梁實際運行狀態(tài)，分析在役橋梁工作狀態(tài)下，判定其安全承載能力與設計值是否在規(guī)范允許值內(nèi)，比較理論下的靜、動力計算結(jié)果和實際試驗結(jié)果，并結(jié)合相關規(guī)范，分析理論結(jié)果及試驗結(jié)果，評價其橋梁狀況。

恒荷載; 動荷載; 活載撓度

橋梁荷載試驗是直接進行表面檢測，通過荷載試驗橋梁各構件內(nèi)力、應力及位移.直接測試成橋工作的狀態(tài)。分析出成橋?qū)嶋H承受荷載能力的限值。檢驗成橋目前狀態(tài)與設計使用年限是否滿足要求。分析其最直接和最有效的方法就是進行荷載試驗，測試結(jié)構的強度、剛度。通過理論計算和試驗的結(jié)果能準確且全面反饋橋梁現(xiàn)狀。主橋上部結(jié)構設計為全應力混凝土三跨連續(xù)箱梁(圖1)，箱梁腹板變截面線形近似于2.0次拋物線。(圖2)。

圖 1 某橋立面布置圖(cm)

圖 2 某橋橫斷面布置圖(cm)

1 靜載試驗

橋梁各控制截面的應力及結(jié)構變形是判定橋梁結(jié)構在靜力作用的主要標準，從而靜載試驗測試參數(shù)判定橋梁結(jié)構服役狀態(tài)與設計規(guī)范值是否相符，同樣它也是最直接、最有效、最全面檢驗橋梁性能及運行狀態(tài)。

根據(jù)靜載試驗理論公式，活載所在最不利參數(shù)按下列公式所定原則等效換算[2]而得：

0.80≤η=Sstat/S(1+μ)≤1.00

(1)

對于平面應力狀態(tài)下的測點，布置應變測點，先按照以上方法分別計算出三個方向的彈性應變ε彈，然后按照以下公式算出最大主應力、最大剪應力和最大主應力的方向。

(2)

(3)

(4)

(5)

μ為泊松比。

試驗荷載根據(jù)要求采用軸距1.4m的前一軸后兩軸的載重貨車加載，每輛車凈重均在30t，車輛的立面布置見圖3。

圖 3 加載汽車軸重、軸距及平面圖(m)

采用MidasCivil2012進行分析計算，本橋采用空間梁單元進行模擬，幾何參數(shù)根據(jù)提供的設計圖紙輸入。主梁采用空間梁單元[3]，全橋模型共包括57個空間梁單元，總節(jié)點數(shù)為56(圖4)。約束條件為：0#橋臺、1#墩、3#墩支座為滑動支座，2#墩支座為固定支座，滑動支座及固定支座采用一般支撐來模擬，滑動支座順橋位移向不約束。

圖 4 某公路橋有限元模型示意圖

圖5為主梁在活載作用下的彎矩及位移包絡圖。

圖 5 活載彎矩圖(kN.m)

篇幅有限，僅列出輪位5作用下5-5截面最大正彎矩對稱加載下應力，均小于計算值，5-5截面頂板測點校驗系數(shù)為0.66，底板測點校驗系數(shù)為0.51。殘余應變較小，荷載作用下殘余應變率均在20%以內(nèi)，說明結(jié)構處于彈性工作狀態(tài)。主梁實測撓度均小于理論計算值，校驗系數(shù)在0.64～0.86之間。其撓度曲線見圖6。

圖 6 輪位5加載主梁撓度曲線圖

在試驗荷載作用下，受力控制斷面的實測應力均小于計算值，校驗系數(shù)在0.50～0.88之間，實測應力在正常范圍之內(nèi),梁體強度滿足設計要求。 在試驗荷載作用下，各跨跨中撓度測試結(jié)果與計算值較吻合，校驗系數(shù)在0.50～0.88之間，實測結(jié)果也小于規(guī)范限值(L/600), 表明梁體抗彎剛度滿足設計要求。在偏心荷載作用下，最大偏載系數(shù)為1.07[4]，在通常設計值范圍內(nèi)，滿足設計要求。

2 動載試驗

動載試驗：施加橋梁車輛荷載或者是環(huán)境荷載，隨之橋梁結(jié)構發(fā)生振動，通過儀器測量反應出橋梁本身的頻率、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)、動力響應等參數(shù)構件[5]，從而判斷橋梁結(jié)構當前運行的整體動力剛度、行車性能。動載試驗主要包括脈動試驗和強迫振動試驗兩部分(無障礙行車試驗、有障礙行車試驗)測試兩種工況下橋梁的自振特性和在車輛荷載作用下的動力響應 篇幅有限僅列出該橋第二跨跨中原地跳車試驗，其測點及振動測試結(jié)果見表1。

表1 篤實橋第二跨跨中原地跳車試驗各測點振動測試結(jié)果 mm

從表1可以看出：第二跨跨中原地跳車時，主橋豎向測點振幅最大值為0.62mm，橋梁橫向?qū)崪y點的振幅均不大于0.13mm。說明該橋面平整度較好。

沖擊系數(shù)測試結(jié)果及分析

根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)，沖擊系數(shù)的取值為：

當f<1.5 Hz時，μ=0.05；當1.5 Hz14 Hz 時，μ=0.45；橋梁結(jié)構實測基頻為1.65 Hz，設計沖擊系數(shù)取值為0.073。

動應變測試跑車試驗沖擊系數(shù)實測值見表2。圖7為30 km/h跑車試驗第二跨跨中處箱梁底板動應變時程曲線?？梢钥闯?，實測沖擊系數(shù)最大值為0.062，平均值最大為0.050，小于設計沖擊系數(shù)值0.073，符合規(guī)范要求。

圖 7 篤實橋跑車試驗第二跨跨中應變時程圖

車速/(km·h-1)次數(shù)12100．0320．043200．0490．051300．0570．062400．0530．054最大值0．062均值0．050

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，公路橋豎向振動一階頻率為1.65 Hz，實測低階頻率均大于計算值1.22 Hz，表面實際橋梁動力剛度滿足設計要求。實測上部結(jié)構的自振頻率的數(shù)值基本上都在理論計算頻率的1.10倍以上，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)，篤實橋主橋自振頻率評定標度為1。

實橋?qū)崪y橋梁，阻尼比最大值不超過1.962%，最小值不低于1.537%，都在允許范圍之內(nèi)。

進行跑車試驗時，實橋豎向振幅均小于0.76 mm，豎向振幅隨著車速提高，有緩慢增大的趨勢，但并不明顯；其橫向振幅最大值均不超過0.18 mm，橫向振幅與車速的關系不明顯，

一般在均值附近波動。第二跨跨中原地跳車時，主橋豎向測點振幅最大值為0.62 mm，橫橋向測點振幅最大值為0.14 mm。篤實橋?qū)崪y沖擊系數(shù)最大值為0.062，平均值最大為0.050，小于設計沖擊系數(shù)值0.073，符合規(guī)范要求。

3 結(jié)論

公路橋在相當于設計荷載等級的試驗荷載作用下，通過測試大橋的應力、變形、動力響應等測試參數(shù)可知：應力及撓度實測結(jié)果均小于計算值，橋梁結(jié)構處于彈性工作狀況，橋梁實際強度及剛度滿足設計及規(guī)范要求，測試的結(jié)果能全面準確地反應出橋梁日常使用過程的工作性能，橋梁工作性能滿足設計和安全運營要求。橋梁服役過程中，應重視橋梁結(jié)構的管養(yǎng)工作，減小動荷載的沖擊效應。

[1] 陳永耀，成平，周榮貴, 等. 公路工程技術標準(JTGB01-2003)[M]. 銀川：寧夏音響出版社，2003.

[2] 龍志剛. 淺談連續(xù)鋼構橋荷載試驗 [J].黑龍江交通科技，2014，8(4):99-101.

[3] 顏永先,胡美,李曉婭.基于靈敏度分析的大跨橋梁結(jié)構有限元模型優(yōu)化研究[J].浙江交通職業(yè)技術學院學報，2014，9(3)：16-21.

[4] 葉青, 胡美. 基于荷載試驗的大跨斜拉橋有限元模型修正方法研究[J].佳木斯大學學報,2015，3(3):391-394.

[5] 張武毅，湯建林. 大跨徑鋼箱梁斜拉橋靜載試驗研究[J]. 浙江交通職業(yè)技術學院學報,2014，6(2):1-6.

[責任編校： 張巖芳]

Load Test Research of Highway Bridge

LIU Yaodong1， CAO Hongyan1， TANG Qi1， ZHANG Ruogang2， XUE Qilin2

(1SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China2BridgeeSci.ResearchInstituteLtd,ChinaRailwayMajorBridgeEngin.Group,Wuhan43003，China)

According to the number of static load tests required to load and conditions of each wheel position vehicle arrangement, and the most unfavorable safety condition, the paper obtains the equivalent parameters based on the standards of theoretical formula and design. Simulation of the bridge Changes of internal force and displacement of each condition model have been conducted. adopting midas / civil finite element to directly understand real working state of the bridge structure under the test load. It has also tested the bridge actual bearing performance and design calculation to evaluate whether the actual bearing capacity and its performance is within design using load. With static and dynamic calculation results compared with those of the load test,and combined with the relevant specification, it has finally determined whether the structure bearing capacity and working performance meet the design and specification requirements.

the constant load; dynamic loads; the live load deflection

2016-03-21

劉耀東(1969-)， 男， 山東滕州人，湖北工業(yè)大學教授，研究方向為橋梁工程

1003-4684(2017)02-0099-03

TU997

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