范科舉

（焦作市城市建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，河南 焦作 454000）

0 引言

橋梁荷載試驗(yàn)是指通過(guò)施加荷載的方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的靜、動(dòng)力特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，是對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)定的重要手段。

焦作市豐收路群英河橋建于1994年，為單孔跨徑為8.3m的三幅三孔簡(jiǎn)支板橋，其上部結(jié)構(gòu)為3×8.3m的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板，下部結(jié)構(gòu)為排架柱墩、重力式墩臺(tái)，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為汽-20、掛-100。經(jīng)過(guò)多年的使用和振動(dòng)、超載、環(huán)境變化等因素的影響，該橋結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重，已經(jīng)影響到正常使用。為科學(xué)評(píng)定群英河橋目前的運(yùn)營(yíng)狀況、結(jié)構(gòu)的承載能力以及橋梁行車的安全性、可靠性，本文采用荷載試驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以期對(duì)該橋的運(yùn)營(yíng)性能作出科學(xué)判斷。

1 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上的指定位置施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載，利用檢測(cè)儀器設(shè)備測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［1］。根據(jù)靜載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，可以推斷橋梁結(jié)構(gòu)在靜態(tài)荷載作用下的工作狀態(tài)和使用性能。

1.1 試驗(yàn)荷載及加載工況

試驗(yàn)橋跨應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)受力最不利、缺陷較多或病害較嚴(yán)重的橋跨［2］。根據(jù)群英河橋的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，選擇中幅橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)橋跨的截面寬度為25m，加載工況為中幅橋第3跨跨中最大正彎矩截面偏載工況（如圖1所示），主要測(cè)試控制截面的撓度和應(yīng)變。

圖1 中幅橋第3跨加載車輛橫向、縱向布置圖Fig.1 Transverse and longitudinal layout of loading vehicles on the third span of mid-span bridge

采用有限元分析軟件midas建立模型，對(duì)橋梁恒載內(nèi)力和活載內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算，采用3輛390kN的兩軸自卸式載重汽車作為實(shí)際試驗(yàn)的工況荷載，加載車輛稱重滿足規(guī)范規(guī)定的稱重誤差不超過(guò)5%的要求，分別為40.2t、39.84t、40.56t。加載車輛呈橫向偏載布置，車輛后軸位于橋跨跨中，具體加載和卸載分級(jí)情況如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)加載及卸載分級(jí)情況Tab.1 Classification of static load test loading and unloading

實(shí)際試驗(yàn)的工況荷載和加載位置可通過(guò)荷載試驗(yàn)效率進(jìn)行調(diào)控和研究。靜載試驗(yàn)效率按式（1）計(jì)算。

式中：ηs為靜載試驗(yàn)荷載效率，對(duì)于驗(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)于鑒定性荷載試驗(yàn)，其值應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05；Sstat為在靜載試驗(yàn)的實(shí)際工況荷載作用下，控制截面的最大內(nèi)力或變位計(jì)算值；Sk為控制荷載作用下，控制截面的最大內(nèi)力或變位計(jì)算值；μ為設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，加載車輛荷載效率為0.97。

1.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 撓度測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)相對(duì)殘余撓度=殘余值／實(shí)測(cè)值的公式，繪制橋梁靜載試驗(yàn)分級(jí)加載及卸載撓度曲線，如圖2所示；根據(jù)校驗(yàn)系數(shù)=（實(shí)測(cè)值-殘余值）／計(jì)算值，殘余值為卸載后橋梁各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值。據(jù)此，繪制撓度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖2 中幅橋第3跨各級(jí)荷載作用下的撓度曲線Fig.2Deflection curve of different loading on the third span of mid-span bridge

圖3 中幅橋第3跨撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值關(guān)系曲線Fig.3Relations of deflection measured value and calculated value on the third span of mid-span bridge

由圖2可知，在1級(jí)加載作用下，測(cè)點(diǎn)2撓度值最大；在2級(jí)加載作用下，測(cè)點(diǎn)3撓度值最大；在3級(jí)加載作用下，測(cè)點(diǎn)5撓度值最大。根據(jù)《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》（JTG3362-2018），主梁產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的1／600［3］。本試驗(yàn)荷載作用下的橋梁撓度值均不超過(guò)該限值，滿足規(guī)范要求。

由圖2和圖3可知，該中幅橋第3跨跨中截面全部測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余撓度均小于20%，滿足規(guī)范要求；測(cè)點(diǎn)3、4、5、6、7撓度校驗(yàn)系數(shù)均大于1.00，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG／T J21-2011）的規(guī)定［4］。這說(shuō)明，該工程試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，但控制截面豎向剛度較弱，橋梁實(shí)際工作狀態(tài)要差于理論狀態(tài)。

1.2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下，分級(jí)加載及卸載應(yīng)變曲線如圖4所示，應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 中幅橋第3跨各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變曲線Fig.4Strain curve of different loading on the third span of mid-span bridge

圖5 中幅橋第3跨應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值關(guān)系曲線Fig.5Relations of strain measured value and calculated value on the third span of mid-span bridge

由圖4和圖5可知，在試驗(yàn)荷載作用下，該中幅橋第3跨跨中截面全部測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，滿足規(guī)范要求，但測(cè)點(diǎn)3、4、5、6、7應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.00，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG／T J21-2011）的規(guī)定［4］。全部測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，說(shuō)明該試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；測(cè)點(diǎn)3、4、5、6、7應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.00，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下有較大的不可恢復(fù)應(yīng)變，控制截面抗彎強(qiáng)度較弱，即結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況相比偏于不安全，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定承載能力不足。

2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在動(dòng)荷載激振和環(huán)境荷載作用下的受迫振動(dòng)特性和自振特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地獲取橋梁的承載力和運(yùn)營(yíng)狀況［2］。

2.1 試驗(yàn)荷載及工況

選擇中幅橋第3跨作為動(dòng)載試驗(yàn)橋跨，并選擇L／4截面、L／2截面、3L／4截面為控制截面，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)及跑車、跳車試驗(yàn)獲得控制截面的自振頻率、阻尼比、振型及動(dòng)力放大系數(shù)。

圖6 中幅橋第3跨模態(tài)測(cè)試速度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6Monitoring point layout of modal test velocity on the third span of mid-span bridge

采用390kN的三軸自卸式載重汽車作為實(shí)際試驗(yàn)的工況荷載，各工況如表2所示。

表2 動(dòng)載試驗(yàn)工況Tab.2 Working condition of dynamic load test

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)布置在橋面上的速度傳感器測(cè)得試驗(yàn)橋跨環(huán)境激勵(lì)條件下的脈動(dòng)信號(hào)時(shí)域曲線，并對(duì)其進(jìn)行功率譜及振型分析，得到試驗(yàn)橋跨的自振頻率及振型［5］，如表3所示。

表3 自振頻率、阻尼比測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of natural frequency and damping ratio

根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ／T 233-2015）的規(guī)定，實(shí)測(cè)自振頻率應(yīng)大于等于基準(zhǔn)頻率值的90%［6］。測(cè)試結(jié)果顯示，中幅橋?qū)崪y(cè)自振頻率與基準(zhǔn)頻率的比值為1.410，實(shí)測(cè)振型與理論振型基本一致。這表明橋梁整體處于良好狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

2.2.2 跑車試驗(yàn)結(jié)果分析

該橋跑車試驗(yàn)采用1輛390kN載重汽車，通過(guò)測(cè)量不同車速下控制截面的速度，繪制時(shí)程曲線，并計(jì)算不同車速下的動(dòng)力放大系數(shù)，結(jié)果如表4所示。該橋自振頻率基準(zhǔn)值為11.702Hz，理論動(dòng)力放大系數(shù)為0.419，實(shí)測(cè)動(dòng)力放大系數(shù)小于理論值，說(shuō)明橋面行車無(wú)障礙。

表4 不同車速下動(dòng)力放大系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of dynamic amplification coefficient at different speeds

2.2.3 跳車試驗(yàn)結(jié)果分析

跳車試驗(yàn)是在試驗(yàn)橋跨跨中預(yù)定位置設(shè)置一塊15cm高的三角塊，1輛滿載重390kN的載重汽車后輪從三角塊落下后立即停車。跳車的動(dòng)力效應(yīng)與車速和三角塊放置的位置有關(guān)。隨著車速的增加，橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力會(huì)增加，從而動(dòng)力放大系數(shù)也會(huì)增大。該橋梁試驗(yàn)橋跨跳車試驗(yàn)實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線如圖7所示。該曲線與理論曲線基本吻合，說(shuō)明橋梁的行車性能較好。

圖7 中幅橋第3跨跳車試驗(yàn)速度時(shí)程曲線Fig.7Time curve of bumping test on the third span of mid-span bridge

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)芸陀^了解橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，掌握其承載能力和使用性能，對(duì)于橋梁?jiǎn)栴}的處理能夠及時(shí)給出建議，為橋梁后續(xù)加固提供技術(shù)依據(jù)。試驗(yàn)橋動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)橋跨整體剛度滿足規(guī)范要求，行車性能良好；試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)雖然處于彈性工作狀態(tài)，但其局部豎向剛度及抗彎承載力已不滿足規(guī)范要求；部分測(cè)點(diǎn)的撓度及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1.00，不滿足規(guī)范要求。