李 龍,周偉明,梁長海,盧元剛

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

現(xiàn)場荷載試驗是評定橋梁承載能力的主要技術手段之一，即通過在實際結構上采用與設計荷載等效的試驗荷載進行加載，測試橋梁各主要受力構件的作用效應，并與理論計算結果進行對比，從而推定結構的安全儲備和可靠度[1]。靜載試驗主要測試結構的靜態(tài)應變、位移，驗證結構的安全性和可靠性，掌握橋梁結構的實際工作性能，進而推斷橋梁實際承載能力。通過動載試驗確定橋梁的動力特性，研究橋梁運營狀態(tài)下的安全性和承載能力[2]。

本文以一座小邊跨梁拱組合體系實橋為研究對象，通過現(xiàn)場荷載試驗，測試該橋梁靜動載性能，分析該橋梁的實際運行情況，綜合評定該類橋梁結構的運營狀態(tài)安全性。

1 工程概況

一座小邊跨梁拱組合體系橋梁跨徑布置為(47+148+47)m，標準斷面寬度42 m，橋梁全長242 m。拱圈為矩形鋼箱斷面結構，拱軸線為二次拋物線形，矢跨比1∶4，橋面吊桿間距6 m，全橋共設21對吊桿；風撐采用“X”形。橋梁從立面上看為飛雁式造型，從橫斷面上看呈門式造型。主跨與兩側(cè)邊跨構成小邊跨梁拱組合受力體系。橋梁結構總體布置見圖1。

2 橋梁荷載試驗方案

2.1 橋梁靜力荷載試驗

靜力荷載試驗是通過試驗荷載作用使結構受力，觀察橋梁控制截面在最大內(nèi)力狀態(tài)下的應力及變形[3-6]。本次試驗是通過控制截面內(nèi)力影響線，采用等效汽車荷載進行最不利加載，從而獲得相應的結構響應。靜載測試工況如表1所示。

表1 靜載試驗工況

2.2 橋梁動力荷載試驗

動載試驗項目和內(nèi)容主要包括2個方面：①運用振動測試系統(tǒng)采集環(huán)境激勵作用下橋面豎向振動的加速度響應信號，分析橋梁主體結構豎向振動的固有頻率及阻尼；②運用動力響應測試系統(tǒng)采集橋梁各控制截面在加載車輛勻速運行、剎車等工況作用下沖擊系數(shù)，進而分析橋梁結構整體剛度是否滿足設計要求及運行性能是否安全[7-12]。本次檢測對該橋梁進行動載分析，主要分為環(huán)境脈動試驗、行車試驗、剎車試驗3種工況。

2.3 荷載試驗監(jiān)測位置

2.3.1 變形測試監(jiān)測點設置

靜載試驗變形測試采用精密水準儀，測點布置如下所述：變形測點布置在中跨L/8，L/4，3L/8，L/2，5L/8，3L/4，7L/8和邊跨L/4，L/2，3L/4及對應位置的拱圈上，共計40個變形測點。變形測點布置如圖2所示。

圖2 橋面系及主拱變形測點立面布置示意(單位:cm)

2.3.2 應變測試監(jiān)測點設置

根據(jù)結構特點，選定加載試驗控制截面為跨中拱頂截面(A-A)、中跨南側(cè)L/4截面(B-B)、南側(cè)拱腳截面(C-C)、南側(cè)邊跨截面(D-D)。其中A-A斷面測試工況共設置8個應變測試點，應變測點布置在中跨跨中兩側(cè)拱肋的頂面、底面和兩側(cè)系梁的頂面、底面。B-B 斷面測試工況共設置8個應變測試點，應變測點布置在中跨南側(cè)L/4截面兩側(cè)拱肋的頂面、底面和兩側(cè)系梁的頂面、底面。C-C斷面測試工況共設置8個應變測試點，應變測試點布置在拱腳處兩側(cè)拱肋頂面、底面和兩側(cè)系梁的頂面、底面。D-D斷面測試工況共設置4個應變測試點，應變測試點布置在邊跨距離南側(cè)主墩18 m 處兩側(cè)系梁的頂面及底面。應變測點布置見圖3。

圖3 應變測試點布置(單位：cm)

3 橋梁荷載試驗結果分析

3.1 橋梁靜力荷載試驗結果

3.1.1 靜載試驗荷載效率系數(shù)

根據(jù)標準活載與試驗加載的計算結果得到該小邊跨梁拱組合體系橋梁的靜載試驗荷載效率系數(shù)，得到該小邊跨梁拱組合體系橋梁靜載試驗荷載效率系數(shù)在0.86～1.04，介于0.85～1.05之間，滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》規(guī)定，荷載效率系數(shù)如表2所示。

表2 靜載試驗荷載效率系數(shù)

3.1.2 撓度測試結果

限于篇幅，僅對中跨撓度測試最不利情況進行分析，工況1中載作用下橋面系橫橋向跨中撓度、工況2偏載作用下拱圈撓度的實測結果、計算結果見圖4。

圖4 中跨橋面板及拱圈撓度

2種工況作用下，該橋不同部位控制截面撓度均小于計算值，荷載試驗實測值與計算值具有較好的相關性，且變化規(guī)律一致。工況1作用下橋面板撓度測點的校驗系數(shù)在0.50～0.77；工況2作用下中跨拱圈撓度測點的校驗系數(shù)在0.49～0.80。

3.1.3 應變測試結果

限于篇幅，僅對工況1及工況2作用下應變實測結果、計算結果、應變校驗系數(shù)、相對殘余應變進行分析，實測結果如表3所示。

根據(jù)表3可知，2種工況作用下，該橋不同部位控制截面應變均小于計算值，荷載試驗實測值與計算值具有較好的相關性。工況1作用下控制截面測點的校驗系數(shù)在0.55～0.83，相對殘余應變在0～12.96%；工況2作用下控制截面測點的校驗系數(shù)在0.46～0.81，相對殘余應變在0～12.00%，評定結果均滿足規(guī)范要求。

表3 工況1及工況2應變評定結果

注:1.應變受壓為“-”，應變受拉為“+”; 2.括號內(nèi)為工況2試驗結果。

3.2 橋梁動力荷載試驗結果

3.2.1 頻率測試結果

在自然環(huán)境激勵和車輛移動荷載激勵作用下，采用連續(xù)采樣方式同時采集9個測點的速度響應信號。通過對速度自功率譜各個峰值點的識別，得出橋梁結構前二階豎向自振頻率與阻尼比，實測頻率與計算頻率如表4所示。

表4 實測頻率與計算頻率比較

試驗結果表明：實測振型與有限元結果具有很好的相關性，兩者振型基本一致。本橋?qū)崪y一階豎彎頻率為1.953 Hz,二階豎彎頻率為3.359 Hz，有限元分析結果為一階豎彎頻率為1.334 Hz，二階豎彎頻率為3.283 Hz，相應的實測與計算比值為1.464和1.023，實測頻率值均大于計算數(shù)值，表明橋梁結構整體性能及技術情況良好。

3.2.2 沖擊系數(shù)測試結果

動載沖擊系數(shù)綜合反映了動力荷載對橋梁結構的動力作用，本次試驗通過動力響應測試分析系統(tǒng)采集測點的速度時程曲線，進而得到試驗條件下對應的最大動應變值，推算實測沖擊系數(shù)。實測沖擊系數(shù)如表5 所示。

表5 實測沖擊系數(shù)與計算值比較

試驗結果表明：行車試驗工況下，橋梁的實測沖擊系數(shù)為0.022～0.043；剎車試驗工況下，橋梁的實測沖擊系數(shù)為0.048～0.055。實測沖擊系數(shù)平均值為0.042，實測沖擊系數(shù)平均值小于計算值，表明橋梁實際行車舒適度較好。

4 結論

1)根據(jù)荷載試驗，得到該小邊跨梁拱組合體系橋梁靜載試驗荷載效率系數(shù)在0.86～1.04，介于0.85～1.05，滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》規(guī)定。

2)該橋不同部位控制截面實測撓度均小于計算值，荷載試驗實測值與計算值具有較好的相關性，各工況作用下?lián)隙葴y點的校驗系數(shù)在0.49～0.80。

3)該橋不同部位控制截面實測應變均小于計算值，荷載試驗實測值與計算值具有較好的相關性。各工況作用下應變測點的校驗系數(shù)在0.46～0.83，測點相對最大殘余應變?yōu)?2.96%，評定結果均滿足規(guī)范要求。

4)實測振型與有限元結果具有很好的相關性，兩者振型基本一致，且實測頻率值均大于計算數(shù)值，同時實測沖擊系數(shù)平均值小于計算值，表明橋梁結構整體性能及技術情況良好。

5)通過對該橋靜動載試驗表明：該小邊跨梁拱組合體系橋梁在正常使用狀態(tài)下主橋承載能力均滿足城市-A級荷載等級要求。