段宇 王保兵

1．云南省交通投資建設集團有限公司昭通管理處，中國·云南 昭通 657000

2．云南通衢工程檢測有限公司，中國·云南 昆明 650000

為評價中國省道S101 線昭陽至永善公路改建工程K111+409．5 橋的受力狀況與工作性能，該橋是一種新型結構形式橋，其上部結構為直腹板帶翼箱梁，具有一定的科研試驗性。通過靜動載試驗研究其真實受力狀況，靜載試驗是在相應的測試截面按照試驗荷載效率合理布載并測試主梁各截面相應測點應力和位移；動載試驗是通過模態(tài)試驗和跑車試驗來測試該橋的固有頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)。結果表明：該橋主拉應變校驗系數(shù)、撓度和應變校驗系數(shù)均未超出標準容許值1，橋梁實際工作性能很好，相對殘余應變和殘余撓度最大值分別為9．36%和2．21%，都未超出標準容許值20%，橋梁整體處于彈性變形階段；在動力荷載作用下，橋梁第1 階豎向自振頻率為4．883，阻尼比為0．005%，應變測試所得沖擊系數(shù)在1．07～1．26 之間，豎向實測的頻率大于理論計算頻率，橋梁整體結構剛度滿足設計要求。

直腹板箱梁 ；荷載試驗；校驗系數(shù)；動力荷載

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速增長，道路交通行業(yè)得到飛速的發(fā)展，橋梁作為交通運輸?shù)难屎?，其使用功能的正常與否直接關系到整條公路的運行。為保證箱梁橋成橋后的正常運營，需要對箱梁橋進行荷載試驗與承載力評定來確定橋梁的真實受力狀況。

目前，全球許多的學者已對箱梁橋荷載試驗研究與承載力評定研究，并取得了一定的研究成果。Demeke B．Ashebo[1]對斜交小箱梁動力特性試驗分析；Khalim，Mohse[2]等對中間隔板多室箱梁橋的荷載試驗與橫向荷載分布系數(shù)的研究；Dereck J．Hodson[3]對箱梁橋進行了荷載試驗和有限元模擬分析的研究；錢寅泉[4]對裝配式小箱梁橋荷載橫向分布數(shù)值分析與荷載試驗的分析研究；楊美良、石恩崇等[5]對組合式小箱梁橋基于荷載試驗對荷載橫向分布的研究；周勇軍[6]對箱梁橋荷載試驗和加載車輛的研究。但是目前國內針對直腹式帶翼箱梁橋的荷載試驗研究卻鮮有文獻提及。因此，開展此課題的研究具有應用價值。

論文以K111+409．5 中橋為依托工程，該橋位于省道S101 線昭陽至永善公路改建工程項目蓮峰至黃華丫口段。上部結構是30m+16 m 的預應力混凝土帶翼箱梁，下部結構包括的橋墩為雙圓柱式墩、其基礎設有鉆孔灌注樁；兩岸橋臺均為重力式橋臺，設計荷載為公路-II級。橋面寬度：2x0．5m（護欄）+8m（行車道）=9m，R=800m的右偏圓曲線位于橋平面上，橋面設有2%的雙向橫坡，縱斷面設有4%的縱坡；墩臺徑向布置；全橋有2 個伸縮縫。

利用MIDAS/Civil 建立該橋梁格模型模擬公路-II 級荷載并進行分析，在靜力荷載下測試上部結構每個截面測點的應力和位移值，分析和對比各測試面相應測點的應力和位移值是否符合設計規(guī)范。

2 橋梁靜載試驗

2.1 靜載試驗原則

靜載試驗主要測試橋梁上部主體結構各控制截面測點的應變、位移、卸載完的殘余應變和殘余變形[7]，綜合評價橋梁主體結構性能。采用汽車荷載模擬設計荷載，在主體結構控制截面內力影響線最不利位置加載，使其試驗荷載效率系數(shù)在0．85～1．05 之間。根據(jù)計算分析確定該橋靜載試驗需2 輛45T 雙后軸特重車，試驗車滿載時軸重、軸距如圖1所示。

圖1 試驗車

應變測試：應變片布于相應測試面的箱梁底部和箱梁腹板，其電阻為120Ω，靈敏度系數(shù)為2．08，標距為10cm，運用DH3819 無線靜態(tài)應變測試儀采集并分析試驗數(shù)據(jù)。

撓度測試：在各控制截面箱梁底部，采用懸掛鋼絲+吊錘+百分表的方法，既在測試截面梁底部中間設置掛鉤，在掛鉤上懸掛鋼絲，鋼絲底部懸吊重錘，重錘下面架設百分表，重錘通過固定支架來約束，如圖2所示。

圖2 撓度測試裝置示意

2.2 測試截面及測點布置

根據(jù)受力最不利的原理，選1#跨作為測試跨，主要測試1#跨J1、J2 和J3 截面各主梁的應力以及變形情況，測試截面布置如圖3所示；在每個控制面梁的底部和側面布設相應的應變點，沿大里程方向，從左往右，J1 斷面布設14 個應變點、J2 斷面布設8 個應變點，其中J2 斷面腹板沒有應變點、梁端剪力J3 斷面布設4 個應變點，具體布置如圖4所示。

圖3 測試面布置圖（單位：cm）

圖4 測試面應變和撓度測點布置圖（單位：cm）

2.3 荷載布置與測試工況

在1#跨的J1、J2 和J3 三個截面依次進行加載，每一截面加載車沿橫向布置2 輛車，加載方式分為中載和偏載，其中梁端剪力截面加載方式為偏載。結構計算按特載45T 在最不利位置布載，取控制截面最大正彎矩和梁端最大剪力作為加載截面的控制值，荷載流程詳見表1。

表1 荷載試驗流程

2.4 靜載試驗效率

為了滿足設計荷載效應的要求，試驗車的數(shù)量和軸重是根據(jù)控制內力等效原則來選擇，使得靜載效率ηq介于0．85～1．05，測試前對試驗車輛進行稱重。按式（1）[7]計算：

在試驗加載分析時，考慮2 車道荷載，設計荷載中已考慮了沖擊系數(shù)，但不考慮橫向折減。通過加載位置、加載噸位等調整控制靜載效率ηq介于0．85～1．05，該橋靜載效率值詳見表2。

表2 靜載荷載效率系數(shù)

2.5 試驗結果分析

2．5．1 應變測試結果分析

在試驗荷載作用下，應變校驗系數(shù)在0．70～0．90 之間，表明橋梁結構強度是符合設計要求，橋梁整體工作性能良好；相對殘余應變值小于9．36%，小于文獻[7]規(guī)定的20%，說明該橋整體剛度有一定余度，上部結構處于彈性變形；在受力作用下各測試截面無異常，橋梁整體處于正常受力狀況。

根據(jù)應變測試的結果，將每個測試點的彈性應變與理論彈性應變繪制成圖5所示。

圖5 各工況下理論與實測彈性應變對比曲線

從圖5 可知，在試驗荷載下，各測試面的實測應變值與理論計算值沿橋橫向變化規(guī)律是一致的，且測試值均小于理論計算值，說明該橋橫向力傳遞正常，橋梁整體剛度分布相對均勻。

2．5．2 梁體側面應變測試結果

在試驗荷載下，2#梁腹板的應變數(shù)據(jù)如表4所示，根據(jù)測試應變沿梁高度的分布，分析2#梁體中性軸的高度及工作狀況，如圖6所示。

表3 梁體側面實測應變-梁高比較

圖6 實測彈性應變-梁高分布圖

由圖6 分析可得，2#梁體測試應變值沿梁高的變化具有良好的線性關系，梁腹板截面的變形符合平面假設，說明2#梁在車輛荷載下處于彈性變形階段。根據(jù)線性回歸方程可得，2#梁體的實測中和軸距離梁底距離為107．34cm，理論中和軸高度為99．6cm，出現(xiàn)偏差的原因是橋面鋪裝、混凝土護欄等參與受力有關，屬于正?，F(xiàn)象。

2．5．3 梁端抗剪截面測試結果

在各荷載作用下，J3 測試面2#梁每個測試點主拉應變測試值與理論計算值的比較如表4所示。

表4 實測主拉應變值與理論值的比較

由表4 可見，2#梁的J3 剪力截面4 個應變測試點的主拉應變校驗系數(shù)介于0．45～0．63，滿足文獻7]中校驗系數(shù)＜1的要求；在試驗過程中，對各測試截面附近進行肉眼觀察，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫，說明梁端抗剪承載力滿足設計要求。

2．5．4 撓度測試結果分析

在各工況下，撓度校驗系數(shù)介于0．73～0．92 之間，撓度實測值的最大變形為8．21mm，為計算跨徑（29．40m）的1/3581，表明結構的剛度有一定富余度；大部分測量點的殘余變形值都為0，表明該橋變形恢復較好，少數(shù)測量點具有殘余變形，最大相對殘余變形為2．21%，整體結構處于彈性階段和正常受力狀況。

根據(jù)撓度測試結果，將各測點的測試彈性撓度值與理論彈性撓度值繪制成圖7所示。

圖7 各工況下實測與理論彈性撓度對比曲線

從圖7 看出，在各工況下，測試的彈性撓度值與理論彈性撓度值沿橋橫向變化基本一致，且實測彈性撓度均小于理論彈性撓度，表明結構整體的橫向傳力正常，剛度分配相對均勻。

3 橋梁動載試驗

3.1 試驗內容

本次動力荷載試驗主要包括是模態(tài)試驗和跑車試驗[7]。模態(tài)測試是用DH5907N 無線模態(tài)測試儀來測試橋梁自振特性；跑車試驗是用DH5908 動態(tài)信號測試儀來收集和分析動應變；用1 輛450kN 的試驗車以10～30km/h 速度沿行車道中央勻速過橋來測試橋梁上部結構的動應變。

3.2 自振特性結果和分析

根據(jù)環(huán)境激振下橋梁的動態(tài)響應信號和跑車試驗的余振信號，可以得出該橋自振特性和阻尼比，則測試值與理論值見表5，各階實測模態(tài)振型如圖8所示。

表5 脈動試驗結果

圖8 一階和二階實測振型

3.3 沖擊系數(shù)結果和分析

跑車試驗選1#跨J1 截面和J2 截面的2#梁、3#梁，在行駛車輛荷載作用下測試橋梁上部結構的動態(tài)應變。根據(jù)跑車試驗中動態(tài)應變的峰值和谷值來計算應變沖擊系數(shù)，如表6所示。根據(jù)理論計算基頻，試驗橋梁理論計算沖擊系數(shù)μ=0．32。

表6 沖擊系數(shù)測試值

由表6 可知，隨著行車速度不斷的增加，所對應的沖擊系數(shù)呈明顯遞增的趨勢，其增加量變化很小，動應變隨時間的 變化曲線較好，試驗測得最大動力系數(shù)為1．26，相應的動應變增值為0．26，小于理論計算值0．32，表明橋面行車舒坦。

4 結語

（1）在各工況下，靜載效率介于0．92～1．03，在規(guī)范允許值0．85～1．05 范圍內，說明靜載試驗成立。

（2）在不同工況下，撓度校驗系數(shù)介于0．73～0．92，應變校驗系數(shù)介于0．70～0．90，主拉應力校驗系數(shù)介于0．45～0．63之間，表明橋梁整體剛度大且具有一定富余度，梁端剪切力滿足設計規(guī)范。

（3）在不同工況下，每個測點的相對殘余變形和殘余應變值均為0，其中相對殘余應變和殘余變形最大值分別為9．36%和2．21%，都未超出20%的規(guī)范極限值，表明該橋整體處在彈性狀況，整體剛度較大。

（4）動力測試結果表明，豎向一階、二階振動實測頻率與理論頻率比值分別為1．245 和1．356，滿足規(guī)范中≧0．9 的要求；在跑車試驗中，動態(tài)應變增值為0．26，小于理論計算值0．39，表明橋面行車舒適。