劉大鵬

（中交遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司 河北石家莊 050035）

1 引 言

橋梁荷載試驗(yàn)是新建橋梁，特別是大跨度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的橋梁竣工驗(yàn)收和質(zhì)量評(píng)定的重要手段。通過荷載試驗(yàn)可以考證橋梁的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)受力性能，判定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，確定橋梁的實(shí)際運(yùn)營狀況和使用條件，為竣工驗(yàn)收、投入運(yùn)營使用提供科學(xué)的依據(jù)[1]。

我國預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋的建造在近20年來得到廣泛的發(fā)展，橋梁的跨越能力不斷提高，連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)體系不斷增多，新建了大量的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。依據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)新建成的橋梁應(yīng)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對(duì)橋梁的主要質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，對(duì)新建橋梁的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)特性及其工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，以保證橋梁今后的安全運(yùn)營。

文章以某變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋?yàn)橐劳?，?duì)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的荷載試驗(yàn)和承載能力評(píng)定方法進(jìn)行了探究，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用前景。

2 橋梁概況

某變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁位于城市快速路上，上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為38+55+75+55+38m，全橋共分一幅，全寬30m，橋面布置為：0.35m護(hù)欄+3.4m人行道+2.5m非機(jī)動(dòng)車道+2×3.5m行車道+0.25m路緣帶+3m中央分隔帶+0.25m路緣帶+2×2.5m行車道+2.5m非機(jī)動(dòng)車道+3.4m人行道+0.35m護(hù)欄。橋梁主跨采用鋼箱梁拱裝飾，裝飾拱與主梁之間采用拉索連接。

主橋采用整幅單箱六室直腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，端部梁高1.9m，邊跨墩頂梁高3.4m，中跨墩頂梁高4.8m，跨中梁高1.9m，箱梁底板線型按1.8次方程曲線設(shè)置。箱梁頂板寬29.8m，底板寬26.0m。橋面1.5%的橫坡由箱梁腹板變高度形成。

橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)

設(shè)計(jì)速度：40km/h；

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

橫坡：機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車道1.5%，人行道1.5%。

此橋荷載試驗(yàn)的依據(jù)主要為：《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）、《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）、《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）及試驗(yàn)橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙以及現(xiàn)場調(diào)查資料。

3 橋梁靜載試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)的目的在于通過荷載試驗(yàn)，測定關(guān)鍵截面的應(yīng)力、變形和裂縫發(fā)展情況，并與理論計(jì)算值作對(duì)比，以綜合判斷整個(gè)橋梁現(xiàn)在的工作狀態(tài)和承載能力[1]。

3.1 靜載試驗(yàn)加載方案

對(duì)連續(xù)箱梁橋進(jìn)行理論分析可知，在跨中截面正彎矩比較大，在支點(diǎn)截面負(fù)彎矩比較大。也就是說跨中截面和支點(diǎn)截面在使用過程中出現(xiàn)損壞的可能比較大[3]。因此，選取跨中截面和支點(diǎn)截面作為控制截面。本次靜載試驗(yàn)荷載的大小和加載位置按照內(nèi)力等效原則，即采用靜載試驗(yàn)荷載效率進(jìn)行控制[4][5][6]。

本次荷載試驗(yàn)分8 個(gè)工況分別為：邊跨最大正彎矩偏心加載、邊跨最大正彎矩對(duì)稱加載、次邊跨跨中位置偏心加載、次邊跨跨中位置對(duì)稱加載、中跨跨中位置偏心加載、中跨跨中位置對(duì)稱加載、4#墩頂負(fù)彎矩偏心加載、3#墩頂負(fù)彎矩偏心加載，每工況分4 級(jí)加載。本次荷載試驗(yàn)選用8 輛38 噸普通后八輪卸車進(jìn)行加載，靜載效率計(jì)算結(jié)果見01。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和評(píng)定規(guī)程靜力荷載試驗(yàn)效率，對(duì)驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)其值應(yīng)大于或等于0.85，且不得大于1.05，對(duì)鑒定性荷載試驗(yàn)，其值應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05。此次荷載試驗(yàn)的靜力荷載試驗(yàn)效率在0.98～1.04 之間，滿足現(xiàn)行規(guī)范和評(píng)定規(guī)程的要求。

表1 試驗(yàn)車荷載效率計(jì)算結(jié)果表

3.2 試驗(yàn)控制斷面

依據(jù)《城市橋梁檢測與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（GJJ/T 233-2015）的測試斷面選取原則，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場情況，本次選取第3、4、5 孔進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)檢測。共5 個(gè)控制斷面：J1～J5?？刂茢嗝婢唧w位置及說明如下，示意圖見錯(cuò)誤！未找到引用源。。

圖1 靜載試驗(yàn)控制截面位置示意圖（單位：cm）

J1 斷面：5#孔最大正彎矩?cái)嗝?，距離4#墩中心線22.20m；J2 斷面：4#墩最大負(fù)彎矩?cái)嗝?，位?#墩中心線處；J3 斷面：4#孔最大正彎矩?cái)嗝妫嚯x4#墩中心線27.50m；J4 斷面：3#墩最大負(fù)彎矩?cái)嗝?，位?#墩中心線處；J5 斷面：3#孔最大正彎矩?cái)嗝?，距離3#墩中心線37.5m。

3.3 應(yīng)變測點(diǎn)布置

J1、J3、J5 斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖見錯(cuò)誤！未找到引用源。；J2、J4 斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖見錯(cuò)誤！未找到引用源。。圖中腹板應(yīng)變測點(diǎn)均沿腹板高度三等分分布。3#墩負(fù)彎矩應(yīng)變測點(diǎn)以J4 斷面縱向偏移1.30m，4#墩負(fù)彎矩應(yīng)變測點(diǎn)以J2 斷面縱向偏移1.05m。

圖2 J1、J3、J5 斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖3 J2、J4 斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

3.4 撓度測點(diǎn)布置

撓度各測試斷面位置見錯(cuò)誤！未找到引用源。，邊跨最大正彎矩、次邊跨、中跨跨中位置撓度測點(diǎn)布置見錯(cuò)誤！未找到引用源。，支點(diǎn)、四分點(diǎn)撓度測點(diǎn)布置見錯(cuò)誤！未找到引用源。。

圖4 撓度測試斷面布置圖

圖5 邊跨最大正彎矩、次邊跨、中跨跨中位置撓度測點(diǎn)布置圖

圖6 支點(diǎn)、四分點(diǎn)撓度測點(diǎn)布置圖

3.5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.5.1 應(yīng)變測試結(jié)果

試驗(yàn)荷載下第3 孔箱梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.68～0.77，第4 孔箱梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.74，第5 孔箱梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.59～0.87，3#墩頂負(fù)彎矩的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.49，4#墩頂負(fù)彎矩的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.66。實(shí)測應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，表明該橋試驗(yàn)孔整體強(qiáng)度良好，滿足設(shè)計(jì)荷載（城—A 級(jí)）的使用要求。

各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，控制測點(diǎn)荷載效應(yīng)與實(shí)測混凝土應(yīng)變的線性比例關(guān)系較好，表明橋梁處于較好的彈性工作狀態(tài)。3 孔～5 孔箱梁在正彎矩偏載工況下，控制斷面應(yīng)變沿梁高呈線性分布，表明橋梁在試驗(yàn)荷載下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，符合平截面假定。

該橋控制斷面主要測點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?.55%～10.90%之間，均未超過20%，表明該橋在試驗(yàn)荷載作用下，具有良好的彈性恢復(fù)能力。

3.5.2 撓度測試結(jié)果

試驗(yàn)荷載下第3 孔箱梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.52～0.54，第4 孔箱梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.53～0.59，第5 孔箱梁的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.53～0.58。撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，橫向分布規(guī)律與理論接近，表明該橋試驗(yàn)孔整體剛度性能和橫向聯(lián)系均良好，滿足設(shè)計(jì)荷載（城—A 級(jí)）的使用要求。

各正彎矩工況作用下，3 孔～5 孔各控制斷面撓度分布與理論撓度曲線接近，表明橋跨結(jié)構(gòu)縱向受力性能良好。控制斷面主要測點(diǎn)的相對(duì)殘余變形在0.31%～6.22%之間，均未超過20%；說明該橋在試驗(yàn)荷載作用下，具有良好的彈性恢復(fù)能力。

3.5.3 殘余應(yīng)變（變形）結(jié)果

該橋控制斷面主要測點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?.55%～10.90%之間，控制斷面主要測點(diǎn)的相對(duì)殘余變形在0.31%～6.22%之間。殘余應(yīng)變和殘余變形均未超過20%，說明該橋試驗(yàn)孔在試驗(yàn)荷載作用下，具有良好的彈性恢復(fù)能力。

3.5.4 裂縫觀測結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，各試驗(yàn)孔控制斷面未發(fā)現(xiàn)受力裂縫產(chǎn)生，表明結(jié)構(gòu)抗裂性較好，滿足設(shè)計(jì)荷載（城—A 級(jí)）的使用要求。

4 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析主要研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)行為，其主要內(nèi)容包括確定結(jié)構(gòu)的自振特性以及動(dòng)力激勵(lì)源作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[6]。通過檢測橋梁的自由振動(dòng)特性及在豎向動(dòng)荷載(車輛移動(dòng)與沖擊)作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)反應(yīng)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能，從而評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力性能。此次橋梁動(dòng)載試驗(yàn)包括測試橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率和沖擊系數(shù)。

4.1 自振特性測試

4.1.1 測試方法

本橋自振特性測試主要采用自然脈動(dòng)方式，即在橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而測定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性（自振頻率、振型和阻尼比）[7]。

測試方法為：采用在選定測點(diǎn)上安裝891-II 型拾振器，配合北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV 3060A 智能信號(hào)采集處理分析儀，記錄橋跨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。

4.1.2 測點(diǎn)布置

結(jié)構(gòu)動(dòng)力測試的測點(diǎn)布置與試驗(yàn)所考察的主要振型有關(guān)，響應(yīng)測點(diǎn)應(yīng)盡可能避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)。自振特性測試測點(diǎn)布置如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。

圖7 自振特性測試測點(diǎn)布置示意圖

4.1.3 理論計(jì)算

通過使用Midascivil 分析軟件對(duì)該橋進(jìn)行建模計(jì)算，得出該橋理論豎向一階頻率為1.161Hz。模型圖如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。

圖8 橋梁一階豎向振型圖

4.1.4 測試結(jié)果

通過對(duì)測得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析如圖9 所示，得到該橋?qū)崪y一階頻率為1.901Hz，大于理論計(jì)算值1.161，表明該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能較好。

圖9 自譜分析頻譜圖

4.2 沖擊系數(shù)測試

4.2.1 測試方法

通過測量不同車速的試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)孔上行駛，記錄測點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。根據(jù)所記錄的曲線來分析和計(jì)算橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的動(dòng)撓度和沖擊系數(shù)。

本次沖擊系數(shù)測試使用BJQN-5A 橋梁撓度檢測儀進(jìn)行測試、分析。

4.2.2 測點(diǎn)布置

本次跑車試驗(yàn)動(dòng)撓度測點(diǎn)布置在試驗(yàn)連續(xù)箱梁第3 孔跨中位置。

4.2.3 加載方案

采用一輛試驗(yàn)車以10、20、30、40km/h 的速度行駛于橋面上，記錄試驗(yàn)斷面位移時(shí)程曲線。

4.2.4 測試結(jié)果 跑車試驗(yàn)結(jié)果匯總見下表2，從表中數(shù)據(jù)可得出：該橋第3 孔實(shí)測沖擊系數(shù)為1.032～1.078，實(shí)測跨中正彎矩沖擊系數(shù)均較小，表明該橋橋面平整度較好，車輛沖擊作用小。

表2 跑車試驗(yàn)結(jié)果匯總表

5 結(jié)論

通過對(duì)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行受力分析，結(jié)合現(xiàn)行檢測和評(píng)定規(guī)程[8][9][10]，變截面連續(xù)箱梁橋的荷載試驗(yàn)控制截面主要為：中跨和邊跨最大正彎矩截面，支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面。此次荷載試驗(yàn)選取的控制截面滿足現(xiàn)行規(guī)范和評(píng)定規(guī)程的要求。

通過對(duì)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋試驗(yàn)孔進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)可以分析得出該橋承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載（城-A 級(jí)）的使用要求。對(duì)新建橋梁的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，通車前的現(xiàn)場荷載試驗(yàn)是最直接有效的方法。