李海濤

(安徽省公路工程檢測中心，橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

1 引 言

橋梁不僅可以跨越自然或者人工障礙物，還可以作為城市景觀設(shè)計(jì)、緩解交通使用，橋梁現(xiàn)已成為交通中必不可少的重要組成部分，在交通工程中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的快速發(fā)展，大量人口涌向城市，城市交通量日益增加，城市范圍不斷向周邊擴(kuò)大。為解決交通堵塞及跨越河流、鐵道等問題，城市高架橋不斷新增擴(kuò)建，多跨連續(xù)梁橋得到大量應(yīng)用。橋梁設(shè)計(jì)存在的缺陷等可能會造成橋梁坍塌事故，橋梁在投入運(yùn)營之前進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)是非常必要的。通過對新建橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，可以得到在試驗(yàn)荷載下的相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，從而評估和判定橋梁實(shí)際承載能力及工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。同時，測得的相關(guān)數(shù)據(jù)也可以反過來進(jìn)一步驗(yàn)證和充實(shí)橋梁計(jì)算理論[4]，對橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模理論的合理性、適用性、準(zhǔn)確性提供必要的基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)和實(shí)際案例。無論是新建橋梁還是運(yùn)營期間的橋梁，通過荷載試驗(yàn)，可以綜合分析并評定橋梁在投入運(yùn)營時的實(shí)際承載能力和運(yùn)營安全性。

本文以某城市上跨高架橋(變截面非對稱結(jié)構(gòu)連續(xù)PC梁橋)為工程背景，以其左幅主橋?yàn)槔?，通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，評估和鑒定該橋的實(shí)際工作狀況是否符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，評價橋梁結(jié)構(gòu)在投入運(yùn)營時的工作性能和安全性，為交工驗(yàn)收、運(yùn)營管養(yǎng)、檢測、維修加固等提供可靠的數(shù)據(jù)資料，為橋梁設(shè)計(jì)、施工等積累經(jīng)驗(yàn)[5]，并為其他類似橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力分析、建模思路及加載方式等提供案例參考。

2 工程概述

本項(xiàng)目為某城市的特大高架橋，橋梁全長1623m，橋?qū)?3m。橋梁分左右雙幅布置，單幅結(jié)構(gòu)形式是單跨預(yù)應(yīng)力30m小箱梁引橋加主橋(變截面非對稱結(jié)構(gòu))。本次試驗(yàn)以左幅主橋?yàn)槔?，主橋上部結(jié)構(gòu)為PC掛籃懸澆箱梁，橋跨布置為(75.5+95+130+92+92+65)m，為單箱三室，頂寬21.49m，懸臂長3.5m(外側(cè))和2.99m(內(nèi)側(cè))，底板寬15m。75.5m邊跨邊墩梁端梁高3.6m，漸變至跨中3.8m；其他跨中梁高均為3.8m，橋墩根部梁高6.0m或7.5m，按1.8次拋物線變化。底板布置采用的是變厚度截面，底板最底部厚為1.5m，跨中厚為0.3m，底板上緣按1.8次拋物線變化。箱室頂板厚0.3m，翼緣板端部厚0.2m，懸臂板根部厚為0.75m，腹板厚度由支點(diǎn)處漸變至跨中，邊腹板厚度為0.80～0.50m，中腹板厚度為0.80～0.40m；下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體矩形墩。該橋橫向布置為：0.5m護(hù)欄+2.0m人行道+2.5m非機(jī)動車道+0.5m機(jī)非隔離護(hù)欄+15m行車道+0.5m防撞護(hù)欄+1/2m中央分隔帶。橋面鋪裝瀝青混凝土，設(shè)計(jì)行車速度60km/h。汽車荷載為城-A級，跨鐵路橋梁汽車荷載1.3×城-A級。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是將設(shè)計(jì)活荷載等效為靜力荷載作用在橋梁上最不利的位置，通過控制截面的內(nèi)力影響線，在結(jié)構(gòu)最不利截面利用設(shè)計(jì)荷載作為控制加載截面，采用汽車試驗(yàn)荷載進(jìn)行布載，測試結(jié)構(gòu)各控制斷面的應(yīng)變、撓度等相關(guān)物理量，并觀測結(jié)構(gòu)是否有裂縫產(chǎn)生?，F(xiàn)場實(shí)際加載時，采用靜載試驗(yàn)荷載效率作為加載控制，通過對現(xiàn)場實(shí)測檢測結(jié)果進(jìn)行分析，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力及工作狀況是否滿足相關(guān)要求。

3.2 工況設(shè)置

橋梁靜載試驗(yàn)是評價結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和承載能力的重要指標(biāo)之一。靜載試驗(yàn)應(yīng)按結(jié)構(gòu)最不利受力原則和代表性原則來確定測試截面[4]，測試其在設(shè)計(jì)荷載下的最大內(nèi)力。通過有限元軟件MIDAS/Civil 2020進(jìn)行試驗(yàn)聯(lián)有限元模型的建立，如圖1所示。以城-A級荷載作為驗(yàn)算荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，計(jì)算出試驗(yàn)聯(lián)的彎矩包絡(luò)圖(如圖2所示)和應(yīng)力包絡(luò)圖。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的相關(guān)規(guī)定及結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算分析，確定該聯(lián)的內(nèi)力控制斷面。本次選取5個主要內(nèi)力控制截面，并在其對應(yīng)的控制截面布設(shè)6個靜載試驗(yàn)工況(如圖3所示)。靜載試驗(yàn)各工況測試內(nèi)容見表1。

圖1 主橋MIDAS模型

圖2 主橋彎矩包絡(luò)圖(單位：kPa)

圖3 主橋立面布置圖及試驗(yàn)工況布置圖(單位：m)

表1 靜載試驗(yàn)各工況一覽表

3.3 測點(diǎn)布置

3.3.1 應(yīng)變測點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析、布點(diǎn)原則和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場檢測條件，本次在各測試斷面底板布置3個測點(diǎn)。腹部布置2個測點(diǎn)，翼板布置1個測點(diǎn)，受篇幅限制，布置圖僅列舉了A、B、C斷面。各工況控制斷面的測點(diǎn)具體布置見圖4-圖6。

圖4 工況1橋梁斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

圖5 工況2橋梁斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

圖6 工況3、4橋梁斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

3.3.2 撓度測點(diǎn)

在各工況控制斷面對應(yīng)位置的橋面設(shè)置撓度控制測點(diǎn)，各墩臺頂設(shè)置支點(diǎn)沉降測點(diǎn)，各測點(diǎn)橫向距中央分隔帶防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)15cm，編號依次為：0-1～6-1。本次采用全自動精密水準(zhǔn)儀作為各控制點(diǎn)撓度測量的設(shè)備，每一級荷載加載完成后，為保證穩(wěn)定性測量，車輛必須熄火，再進(jìn)行撓度測量，這樣可以在試驗(yàn)荷載作用下，得到各個加載工況下各控制測點(diǎn)的實(shí)際撓度值隨加載分級變化的規(guī)律，撓度測點(diǎn)布置圖如圖7所示。

3.4 試驗(yàn)荷載布置方案

3.4.1 靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

在橋梁測試斷面按最不利位置布置加載車輛，依據(jù)文獻(xiàn)[6]的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用靜載試驗(yàn)效率進(jìn)行控制，靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηq采用0.85～1.05[6]。靜載試驗(yàn)效率系數(shù)見表2。

表2 各工況試驗(yàn)聯(lián)箱梁靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

3.4.2 加載車輛及加卸載程序

根據(jù)分析計(jì)算得出的控制內(nèi)力影響線及要達(dá)到的驗(yàn)算荷載等級，采用12輛自卸式后八輪載重車進(jìn)行加載，每輛加載車噸位約為420kN。各測試工況的加載過程為1～3級，按逐級遞增的方式進(jìn)行加載，加載完畢后采用1級卸載。第15跨跨中斷面工況4中載試驗(yàn)加載布置圖如圖8所示。

圖8 工況4試驗(yàn)車輛1-3級加載布置示意圖(單位：cm)

3.5 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

各控制截面的主要測點(diǎn)(應(yīng)變、撓度)測試結(jié)果和理論計(jì)算值見表3。由表3的實(shí)測結(jié)果可知，各工況下的應(yīng)變最大校驗(yàn)系數(shù)為0.66，應(yīng)變最小校驗(yàn)系數(shù)為0.53，實(shí)測值均小于理論值，表明結(jié)構(gòu)工作性能較好，且試驗(yàn)跨撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.45～0.52范圍之內(nèi)，符合規(guī)范的要求。橋梁各測點(diǎn)在荷載加卸載循環(huán)作用下，產(chǎn)生的撓度能得到恢復(fù)，表明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)[7]。橋梁在汽車荷載(不計(jì)沖擊力)作用下的撓度允許值為L/600[8]，該試驗(yàn)聯(lián)的允許撓度為153.33mm，主橋?qū)崪y最大撓度為8.47mm，小于規(guī)范的要求，說明該橋梁的結(jié)構(gòu)剛度符合要求。

表3 各工況下試驗(yàn)聯(lián)箱梁主要測點(diǎn)撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余變形一覽表

從表3還可以看出，應(yīng)變主要測點(diǎn)的最大相對殘余變形為12.50%，撓度最大相對殘余變形為7.85%，該橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下，其實(shí)測各相對殘余變形值均小于20%，表明結(jié)構(gòu)的彈性工作狀態(tài)較好。

4 動載試驗(yàn)

4.1 動載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

動載試驗(yàn)的主要內(nèi)容是測定橋梁在動荷載作用下的動力響應(yīng)[9]，通過某種激振方式可以測出其動力參數(shù)，如結(jié)構(gòu)自振頻率、振型、阻尼比、動應(yīng)變、沖擊系數(shù)等。本次采用環(huán)境激勵法和強(qiáng)迫振動進(jìn)行試驗(yàn)。

橋梁動載試驗(yàn)方法包括行車試驗(yàn)、制動試驗(yàn)及脈動試驗(yàn)。本次試驗(yàn)先進(jìn)行脈動試驗(yàn)，然后進(jìn)行行車試驗(yàn)，最后進(jìn)行制動試驗(yàn)。通過測得的橋梁動力特征參數(shù)，可判斷出橋梁結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。

4.2 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 橋梁模態(tài)試驗(yàn)

采用環(huán)境激勵法進(jìn)行模態(tài)測試，其原理是利用產(chǎn)生的隨機(jī)振動來測試結(jié)構(gòu)的各動力參數(shù)。測點(diǎn)布置：依據(jù)結(jié)構(gòu)分析，拾振器測點(diǎn)一般選擇在變位較大的位置。本次試驗(yàn)將測點(diǎn)布置在橋跨四分點(diǎn)位置，其中墩點(diǎn)位置不設(shè)測點(diǎn)，共有18個測點(diǎn)，依次編號為v-1測點(diǎn)～v-18測點(diǎn)，具體測點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 主橋模態(tài)測點(diǎn)布置示意圖(單位：m)

4.2.2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Midas/Civil 2020軟件建模進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得出該橋的一階～三階理論自振頻率，再由現(xiàn)場實(shí)測各測點(diǎn)時域波形圖，通過專用分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析，可得到頻譜分析結(jié)果，具體結(jié)果見表4。由表4可知，前3階實(shí)測自振頻率值均大于理論計(jì)算值，試驗(yàn)聯(lián)實(shí)測頻率與理論頻率之比在1.26～1.31，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較好。

表4 試驗(yàn)聯(lián)實(shí)測自振頻率與理論計(jì)算自振頻率比較

4.2.3 車輛激勵試驗(yàn)

(1)行車試驗(yàn)

讓5輛試驗(yàn)用車，分別以20km/h～60km/h的速度勻速通過試驗(yàn)聯(lián)，從而測出第14跨跨中箱梁底部的動應(yīng)變時程響應(yīng)曲線，并計(jì)算相應(yīng)的實(shí)測沖擊系數(shù)，具體見表5。該試驗(yàn)聯(lián)沖擊系數(shù)規(guī)范計(jì)算值為0.05，由表5可知，試驗(yàn)車輛以20km/h～60km/h的速度通過試驗(yàn)聯(lián)的最大沖擊系數(shù)為0.053，略大于規(guī)范值，這可能與車橋耦合振動、上坡行駛等因素有關(guān)。

表5 主橋動應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測沖擊系數(shù)

(2)制動試驗(yàn)

采用兩輛42t的試驗(yàn)車以40km/h的速度行駛至控制截面時緊急制動的方式，形成對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用，從而激起橋梁的豎向振動，實(shí)測的時程響應(yīng)曲線如圖10所示。通過分析計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)一階自振頻率值為1.536Hz，該橋梁結(jié)構(gòu)的一階理論值為1.141Hz，兩者之比(實(shí)測/理論)為1.35，相應(yīng)的阻尼比為3.6%，大于理論分析值，說明該試驗(yàn)聯(lián)抗沖擊性能較好，滿足相關(guān)要求。

圖10 主橋制動試驗(yàn)動應(yīng)變響應(yīng)曲線(單位：με)

5 結(jié) 論

(1)該主橋主要控制斷面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.53～0.66范圍內(nèi)，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.45～0.52范圍內(nèi)；試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)均在規(guī)定的0.85～1.05之間，滿足規(guī)范對橋梁荷載試驗(yàn)的相關(guān)要求。

(2)該主橋最大相對殘余變形為12.50%,且結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變、撓度能得到及時恢復(fù)，表明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。該試驗(yàn)聯(lián)在試驗(yàn)荷載加卸載作用下，各控制截面均未出現(xiàn)裂縫。

(3)由模態(tài)試驗(yàn)可知，該主橋試驗(yàn)聯(lián)實(shí)測前三階自振頻率值均大于理論計(jì)算值，其實(shí)測與理論頻率比在1.26～1.31之間，各階振動模態(tài)振型與理論計(jì)算振型較為吻合，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能較好。行車試驗(yàn)下，主橋最大實(shí)測沖擊系數(shù)為0.053，略大于規(guī)范計(jì)算值，可能與車橋耦合振動、上坡行駛等因素有關(guān)。制動試驗(yàn)中實(shí)測的基頻為1.536Hz，大于理論分析值，說明該試驗(yàn)聯(lián)抗沖擊性能較好。

(4)綜合分析認(rèn)為，該主橋滿足設(shè)計(jì)要求，所采用的試驗(yàn)方法和布載方式可行。本研究為同類型橋梁提供了相關(guān)數(shù)據(jù)支持、結(jié)構(gòu)受力分析及試驗(yàn)方法的參考。