鞠森森　錢若霖　黃春暉　趙春晨

摘要：對(duì)于現(xiàn)役橋梁的管養(yǎng)小修、對(duì)于舊橋的評(píng)定加固已成為公路橋梁、市政橋梁建設(shè)單位一項(xiàng)舉足輕重的工作，本文采用成橋荷載試驗(yàn)研究的評(píng)定方法，針對(duì)某鋼混疊合梁橋梁，通過(guò)靜載試驗(yàn)研究各主要截面的應(yīng)力狀況、撓度變形，通過(guò)環(huán)境激勵(lì)和跑車試驗(yàn)研究橋梁的自振特性和沖擊系數(shù)。研究表明：該橋的應(yīng)力和撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求;橋梁基頻、阻尼比、沖擊系數(shù)等動(dòng)力特性結(jié)果均滿足規(guī)范要求，表明橋梁整體性較強(qiáng)，剛度符合設(shè)計(jì)要求?；陟o動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種置信度優(yōu)化校驗(yàn)系數(shù)區(qū)間的方法，有效避免了因數(shù)據(jù)隨機(jī)性和離散性過(guò)大引起的試驗(yàn)結(jié)果精度不足的問(wèn)題，精確了校驗(yàn)系數(shù)的區(qū)間范圍，給同類橋梁靜載試驗(yàn)分析提供一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋼混疊合梁;荷載試驗(yàn);置信度;區(qū)間估計(jì)

中圖分類號(hào)：U446.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0102-06

Research on technical evaluation of steel composite beams based on load test

JU Sensen， QIAN Ruolin， HUANG Chunhui， ZHAO Chunchen

（Civil Engineering College， Shannxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi China

）

Abstract：The maintenance and small repair of existing bridges and the assessment and reinforcement of old bridges have become a pivotal task for highway bridges and municipal bridge construction units. This paper adopts the evaluation method of bridge load test research， for a steel-concrete composite beam bridge， the stress conditions and deflection deformation of each main section are studied through static load tests， and the natural vibration characteristics and impact coefficients of the bridge are studied through environmental excitation and sports car tests. Research shows that the bridges stress and deflection calibration coefficients are both less than 1.0， indicating that the structural working state is in the elastic stage and the strength meets the design requirements; the fundamental frequency， damping ratio， impact coefficient and other dynamic characteristics of the bridge meet the requirements of the specification， indicating that the rigidity meets design requirements. Based on the static and dynamic load test results， a method for confidence optimization of the calibration coefficient interval is proposed， which effectively avoids the problem of insufficient accuracy of the test results caused by the excessive randomness and dispersion of the data， and precise the interval range of the calibration coefficient， providing a certain reference meaning for the static load test analysis of similar bridges.

Key words：steelconcrete composite beam; load test; confidence; interval estimation

無(wú)論是新建橋梁或是在役橋梁，定期檢測(cè)和維修是提高其耐久性的重要手段。目前對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)狀況及承載能力的評(píng)價(jià)方法主要有5種[2-4]：外觀調(diào)查、設(shè)計(jì)規(guī)范方法、專家經(jīng)驗(yàn)方法、結(jié)構(gòu)可靠性理論方法以及荷載試驗(yàn)方法。據(jù)報(bào)道，通過(guò)對(duì)5座橋的實(shí)際評(píng)估結(jié)果分析，與規(guī)范對(duì)比提出了改進(jìn)建議[5];從標(biāo)準(zhǔn)種類、評(píng)定手段、評(píng)定過(guò)程、病害等級(jí)和優(yōu)缺點(diǎn)等方面入手對(duì)多種評(píng)定方法進(jìn)行分析研究并提出了優(yōu)化建議[6];隨機(jī)抽取國(guó)省干線公路橋梁，分別采用《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定，總結(jié)了兩種規(guī)定下橋梁技術(shù)狀況評(píng)定的特點(diǎn)[7];基于橋梁部位、適應(yīng)性、剛度退化及病害發(fā)展趨勢(shì)等因素在評(píng)定過(guò)程中無(wú)法合理考慮的問(wèn)題，優(yōu)化了橋梁技術(shù)狀況評(píng)定方法[8]。0F6D8556-6ACD-4637-8135-A62BF25AC6C0

因此，荷載試驗(yàn)作為最直接有效的一種評(píng)定橋梁技術(shù)狀況和承載能力的技術(shù)方法，從定量化的角度對(duì)其進(jìn)行研究，優(yōu)化校驗(yàn)系數(shù)取值，提高評(píng)估結(jié)果可靠度，對(duì)于發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的隱蔽病害，確保橋梁安全性能具有重要意義。

1工程概況及有限元分析

某高速公路橋梁主橋?yàn)閱慰缀?jiǎn)支鋼混凝土疊合梁，對(duì)應(yīng)下部結(jié)構(gòu)橋墩采用群樁排架墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋面橫坡坡度為2%（單向坡），縱坡坡度為1.1%。設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，橋梁橫斷面布置：0.5 m+15.25 m（行車道）+0.5 m，試驗(yàn)聯(lián)橋墩平均高度為25.25 m。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土。

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件MIDAS/civil，構(gòu)建主橋有限元模型，主梁由C50混凝土和Q345鋼材構(gòu)成，彈性模量分別取3.45×10⁴、20.6×10^4?MPa，容重分別為25、76.98 kN/m³;橋面鋪裝采用二期恒載的形式施加，容重為24 kN/m³。

主梁選用梁?jiǎn)卧问?，支座選用一般支承模擬其邊界條件，靜力特性分析考慮換算截面，動(dòng)力特性分析采用空間迭代法，有限元離散模型和設(shè)計(jì)車道荷載作用下的跨中彎矩包絡(luò)圖如圖1和圖2所示。

2靜力加載試驗(yàn)

根據(jù)橋梁一般檢測(cè)及靜力荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算成果，根據(jù)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，撓度校驗(yàn)系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行分析，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)安全使用性能的評(píng)定結(jié)果。

在實(shí)際判斷橋梁現(xiàn)狀安全性能和承載能力時(shí)，《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）[9]給出量化結(jié)果，即結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果之比，得到各主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)，其表達(dá)式：

η=S_e/S_s

式中：S_e為在實(shí)際試驗(yàn)荷載下所測(cè)量的彈性變位（或應(yīng)變）試驗(yàn)值;S_s為在試驗(yàn)加載作用下，某工況的控制截面內(nèi)力或位移（或應(yīng)變）的最大計(jì)算效應(yīng)值。

當(dāng)η≤1時(shí)，表明結(jié)構(gòu)具備足夠的承載能力，有一定的安全儲(chǔ)備;當(dāng)η>1時(shí)，則表明結(jié)構(gòu)可能存在儲(chǔ)備不足的問(wèn)題，需進(jìn)一步計(jì)算分析其承載能力。

2.1測(cè)試截面選擇和測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果，確定橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩控制截面、撓度控制截面，選定跨中截面、1/4跨處截面橋梁測(cè)試截面分別為Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面，測(cè)試截面分布如圖3所示。

Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面各布置30個(gè)正應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)點(diǎn)（不包括溫度補(bǔ)償片），全橋共布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)60個(gè);Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面各布置6個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，在10^#～11#橋墩的1^#、3^#、6^#T梁靠近支點(diǎn)處布置支點(diǎn)沉降測(cè)點(diǎn)，作為Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面撓度值修正依據(jù);全橋共布置撓度測(cè)點(diǎn)12個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置位置如圖4所示。

為保證主要測(cè)試截面試驗(yàn)荷載加載效率在0.85～1.05[3]，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，靜載試驗(yàn)選用6輛汽車（均為3軸），每輛汽車車體重和荷載重共計(jì)375 kN，每個(gè)截面分別進(jìn)行中載和偏載工況加載，共計(jì)6個(gè)工況;中載和偏載工況，標(biāo)準(zhǔn)加載車的橫向分布位置如圖5所示。

2.2靜載應(yīng)變結(jié)果

為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在加載過(guò)程中處于彈性工作狀態(tài)，其相對(duì)殘余應(yīng)變值結(jié)果需在20%以內(nèi)。因此，對(duì)靜載試驗(yàn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)以相對(duì)殘余應(yīng)變作為參照，驗(yàn)證數(shù)據(jù)可靠度。在荷載作用下，

每個(gè)工況對(duì)應(yīng)控制截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值以及校驗(yàn)系數(shù)值如表1所示;校驗(yàn)系數(shù)分布如圖6所示;主梁沿腹板方向應(yīng)變值變化典型圖，如圖7所示。（其中應(yīng)變結(jié)果以受拉為正;受壓為負(fù)。）

根據(jù)實(shí)測(cè)值分析，不同試驗(yàn)工況下各底板應(yīng)變相對(duì)殘余值在0%～17.6%，表明主梁在試驗(yàn)期間，處于彈性受力階段。由表1及圖6可知，在保證加載效率0.85～1.05的實(shí)際車輛荷載作用下，每個(gè)工況底板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.63～0.98;其中大于0.90的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)有2個(gè)，表明梁整體安全度足夠，全橋應(yīng)力狀況符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

由圖7可知，主梁各控制截面腹板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本上呈三角形線性分布，表面主梁應(yīng)力受力合理可靠。

2.3靜載撓度結(jié)果

對(duì)靜載試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)以相對(duì)殘余應(yīng)變作為參照，驗(yàn)證撓度數(shù)據(jù)可靠度。在試驗(yàn)荷載作用下，每個(gè)工況相應(yīng)控制截面的撓度實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值以及校驗(yàn)系數(shù)值如表2所示。

現(xiàn)對(duì)上述24個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，基于斯特吉斯經(jīng)驗(yàn)公式[10]計(jì)算分組數(shù)為：

n=1+3.322lgN

=1+1.322×lg27=5.755

（取整數(shù)為6）

因此，根據(jù)樣本最大值和最小值可計(jì)算出每組數(shù)據(jù)范圍為0.078，可進(jìn)一步計(jì)算出起始下限值為0.39。因此，將每組頻數(shù)、頻率計(jì)算結(jié)果列于表3中;并對(duì)頻數(shù)分布直方圖進(jìn)行繪制，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，各工況下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)基本上服從正態(tài)分布規(guī)律，現(xiàn)根據(jù)95%的置信度，對(duì)各工況下的撓度校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，置信區(qū)間為[μ-2σ，μ+2σ]，即在不同的靜載工況下，該鋼混凝土疊合梁橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)取值范圍為0.62～0.81，結(jié)構(gòu)剛度具有足夠的安全富余度，滿足規(guī)范和行車要求。

3動(dòng)力特性試驗(yàn)

3.1自振特性

在試驗(yàn)跨1/4跨、跨中分別布置加速度傳感器，橫斷面布設(shè)位置為護(hù)欄內(nèi)側(cè)，根據(jù)自然環(huán)境激勵(lì)，對(duì)橋梁動(dòng)力特性參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，分析主梁的振動(dòng)響應(yīng)，包括自振頻率、阻尼比。主要根據(jù)傅里葉變換的譜峰值法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自振特性參數(shù)分析，采用Coinv DASP V11軟件對(duì)自振特性參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，測(cè)試頻譜圖如圖9所示。0F6D8556-6ACD-4637-8135-A62BF25AC6C0

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，實(shí)測(cè)自振基頻為3.019 Hz，大于有限元計(jì)算值2.174 Hz;實(shí)測(cè)阻尼比為0.158%，屬于橋梁結(jié)構(gòu)正常的阻尼比范圍0.08以內(nèi)。表明結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)，動(dòng)剛度較大。

3.2動(dòng)載試驗(yàn)

為保證激振信號(hào)能夠達(dá)到足夠的強(qiáng)度，計(jì)算采用1輛載重汽車分別以30、40、50 km/h的時(shí)速駛過(guò)橋梁，對(duì)橋梁進(jìn)行激振，以測(cè)取響應(yīng)信號(hào);動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面3^#、4^#梁底板處。

采用Coinv DASP V11軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果識(shí)別，通過(guò)3點(diǎn)法的方法對(duì)沖擊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在跑車工況中測(cè)得主要截面的最大動(dòng)應(yīng)變與相應(yīng)的靜應(yīng)變，進(jìn)行計(jì)算，得到?jīng)_擊系數(shù)，結(jié)果如表4所示;每個(gè)控制截面測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖10所示。

在跑車動(dòng)載激勵(lì)下，橋梁試驗(yàn)跨I-I截面、II-II截面的沖擊系數(shù)計(jì)算平均值分別為為0.053、0.050，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算的沖擊系數(shù)為0.121，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體平順，在行車激勵(lì)下主梁結(jié)構(gòu)整體振幅較小。

4結(jié)語(yǔ)

（1）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，各工況主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)0.63～0.98;主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變相對(duì)殘余均小于20%;各控制主梁截面腹板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本上呈三角形線性分布，表明主梁應(yīng)力狀況符合設(shè)計(jì)要求。按照95%的置信度進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，該橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.81，表面結(jié)構(gòu)剛度具有足夠的安全富余度，滿足規(guī)范和行車要求;

（2）根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)，橋梁實(shí)測(cè)基頻大于計(jì)算基頻，實(shí)測(cè)阻尼比為0.158%，滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)跨的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于計(jì)算值，表面橋梁整體性較強(qiáng)，動(dòng)剛度較大，同時(shí)橋面平順，行車激勵(lì)下主梁結(jié)構(gòu)整體振幅較小;

（3）采用圖表分析和區(qū)間估計(jì)，有效排除了因?yàn)閼?yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)數(shù)量多而造成的數(shù)據(jù)隨機(jī)性和離散性大的情況，同時(shí)精確了校驗(yàn)系數(shù)取值范圍，為各類橋梁靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)的計(jì)算分析提供了借鑒意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭一峰，雷剛.城市橋梁技術(shù)狀況評(píng)定及動(dòng)靜載試驗(yàn)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，33（2）：101107.

[2]諶潤(rùn)水， 胡釗芳. 公路橋梁荷載試驗(yàn)[M]. 北京：人民交通出版社， 2003.

[3]宋一凡. 公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定[M]. 北京：人民交通出版社， 2002.

[4]鄭繼光， 孫福申， 李煜，等. 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)工后評(píng)價(jià)及其方法[J]. 吉林交通科技， 2000（3）：2931.

[5]陳棟梁. 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定方法比較研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[6]陳樹(shù)禮，劉永前.城市與公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定方法對(duì)比分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，35（3）：95103.

[7]宋永煥，韓帥，袁浩，等.基于《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》與《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果對(duì)比分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012（2）：3337.

[8]彭松.現(xiàn)行公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化研究[J].公路與汽運(yùn)，2020（5）：117119.

[9]長(zhǎng)安大學(xué). 公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2016.

[10]王梓坤. 概率論基礎(chǔ)及其應(yīng)用（第2版）[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社， 1996.0F6D8556-6ACD-4637-8135-A62BF25AC6C0