何周通

（廣東通創(chuàng)建筑工程有限公司 廣東 佛山 528000）

1 工程概況

某市政橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為（93.0+138.0+93.0）m三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)324.0 m，橋?qū)?2.0 m，橫斷面布置為：3.50 m（人行道）+15.0 m（車行道）+3.50 m（人行道），單向四車道，為單箱單室結(jié)構(gòu)，箱寬10.0 m，箱梁根部梁高為7.0 m，邊跨及中跨合攏段梁高為3.0 m，梁底下緣按二次拋物線設(shè)置。下部結(jié)構(gòu)主墩采用6 根φ200 鉆孔灌注樁，上接剛性承臺(tái)，主邊墩采用3 根φ200 鉆孔灌注樁，上為排架式墩臺(tái)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，驗(yàn)算荷載掛-100；人群荷載3.5 kN/m2。橋梁立面如圖1所示。

圖1 橋梁立面Fig.1 Elevation View of Bridge （cm）

荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力最直觀、有效的方法，主要分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)兩部分。對(duì)于橋梁的承載能力評(píng)價(jià)，主要運(yùn)用靜載試驗(yàn)中控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，同時(shí)運(yùn)用測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的彈塑性工作狀態(tài)；通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的自振特性和沖擊系數(shù)評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力特性［1-2］。該橋運(yùn)營(yíng)近20 年，為了判定橋梁結(jié)構(gòu)剛度變化情況、實(shí)際的工作性能和承載能力，對(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，為橋梁后期養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 有限元計(jì)算模型

依據(jù)橋梁竣工圖紙資料，現(xiàn)場(chǎng)校核結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸，采用MIDAS Civil 2021 有限元軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，有限元模型如圖2 所示。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特性，確定橋梁的控制截面和測(cè)試內(nèi)容，利用模型計(jì)算設(shè)計(jì)活載作用下控制截面的內(nèi)力、變形，按照內(nèi)力等效原則計(jì)算所需的試驗(yàn)荷載，確定加載重車的配重及布置，制定加載方案。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)根據(jù)圖紙取用。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite Element Calculation Model of Bridge Structure

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)控制截面

橋梁靜載試驗(yàn)控制截面的選取是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則選取代表性截面。橋跨主梁在汽-20 活荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖如圖3 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，該橋靜載試驗(yàn)控制截面為主跨Z2～Z3 跨跨中最大正彎矩截面、邊跨Z1～Z2 跨及Z3～Z4 跨最大正彎矩截面、支點(diǎn)Z2、Z3 處最大負(fù)彎矩截面?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及經(jīng)濟(jì)效益，最終選取的試驗(yàn)控制截面如圖1中所示（截面1-1、2-2、3-3）。

圖3 主梁彎矩包絡(luò)圖Fig.3 Bending Moment Envelope Diagram of Main Girder

3.2 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)荷載效率

根據(jù)選取的試驗(yàn)控制截面，確定該橋的試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)工況Tab.1 Static Load Test Conditions

利用有限元計(jì)算模型，通過(guò)控制截面的彎矩來(lái)影響線動(dòng)態(tài)加載，便可對(duì)各試驗(yàn)工況試驗(yàn)車輛縱向加載位置、配重及試驗(yàn)加載效率進(jìn)行計(jì)算以及確定［3］。各控制截面彎矩影響線如圖4所示。

圖4 截面彎矩影響線Fig.4 Influence Line of Bending Moment in the Section

本次靜載試驗(yàn)采用35 t三軸重車，各工況試驗(yàn)荷載效率系數(shù)如表2所示，滿足文獻(xiàn)［4］要求。該橋處于市區(qū)交通繁忙路段，故應(yīng)考慮簡(jiǎn)化加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間，在滿足試驗(yàn)荷載效率的前提下對(duì)加載工況進(jìn)行適當(dāng)合并［5］。

表2 試驗(yàn)荷載效率系數(shù)Tab.2 Test Load Efficiency Coefficient

3.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

橋梁靜載試驗(yàn)的主要目的是測(cè)試橋梁在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載的試驗(yàn)荷載作用下體現(xiàn)其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的參數(shù)值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而對(duì)橋梁作出評(píng)價(jià)［6-7］。對(duì)于該橋，主要對(duì)主梁在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試的實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較［8］。

控制截面1-1、2-2、3-3每個(gè)截面布置9個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；撓度測(cè)點(diǎn)沿橋梁上、下游分別布置在每跨的支點(diǎn)、L/4截面、L/2截面、3L/4截面處，如圖5所示。

圖5 應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of Strain and Deflection Measuring Points（cm）

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

工況1～工況3 主梁控制截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表3 所示。限于篇幅，此處只列出主梁底部應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果。

表3 工況1～3應(yīng)變測(cè)試結(jié)果Tab.3 Strain Test Results of Working Conditions 1～3 （με）

由表3可知：在工況1～工況3試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.88～0.92 之間，應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論值；相對(duì)殘余應(yīng)變介于3.49%～5.56%之間，均小于20%，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能良好，處于彈性工作狀態(tài)［9］。

4.2 撓度測(cè)試結(jié)果分析

工況1、工況2 各截面撓度測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與理論值比較如圖6 所示，可以看出：在各工況試驗(yàn)荷載作用下，橋梁縱向的位移變化規(guī)律基本一致。

圖6 工況1～2各截面撓度測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與理論值比較Fig.6 Comparison of Calculated Values and Theoretical Values of Deflection Measuring Points of Each Section under Working Conditions 1～2

工況1～工況3 試驗(yàn)荷載作用下，1-1、2-2 控制截面附近橋面撓度實(shí)測(cè)結(jié)果如表4 所示。由表4 可知：在各工況試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)介于0.85～0.90 之間，撓度實(shí)測(cè)值均小于理論值；相對(duì)殘余應(yīng)變介于3.62%～6.13%之間，均小于20%，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表4 工況1～3撓度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Deflection Test Results under Working Conditions 1～3（mm）

4.3 裂縫觀測(cè)情況

在試驗(yàn)前、試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)后，試驗(yàn)橋跨未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫和其他異常情況。

5 動(dòng)載試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

因?yàn)樵摌蛄阂M(jìn)行的動(dòng)載試驗(yàn)，故而選擇動(dòng)載試驗(yàn)中的脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，將該橋梁的固定頻率、振型以及阻尼比等主要參數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)定出來(lái)。脈動(dòng)試驗(yàn)的激勵(lì)采用天然狀態(tài)，將試驗(yàn)所用的傳感器布置在橋面上，以此獲取橋梁結(jié)構(gòu)因大地脈動(dòng)和周圍環(huán)境的各種擾動(dòng)所引起的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)的分析，從而獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)［10］。

為了測(cè)出該橋前三階豎向振動(dòng)振型，沿橋梁上游縱向在每孔八分點(diǎn)處均勻布置豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)25個(gè)測(cè)點(diǎn)。前三階理論振型如圖7所示。

圖7 各階豎向振型示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Vertical Vibration Modes of Each Order

5.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

該橋?qū)崪y(cè)前3階各階固有頻率與理論計(jì)算頻率值如表5所示。

表5 檢測(cè)橋跨自振頻率及振型理論計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.5 Theoretical Calculation and Measured Results of Natural Frequency and Vibration Mode of Bridge Span

脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋各階實(shí)測(cè)振型與理論振型基本一致，各階固有頻率實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，表明橋梁整體動(dòng)力剛度滿足要求。

6 結(jié)論

⑴結(jié)合該橋進(jìn)行的靜載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，得出：在試驗(yàn)荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力狀況合理，經(jīng)過(guò)測(cè)試所獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)，其變化規(guī)律與理論計(jì)算是基本保持一致的，在進(jìn)行卸載后也能基本恢復(fù)原狀，以此證明了該橋跨所具備的承載能力和其使用性能是已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。

⑵對(duì)脈動(dòng)試驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行分析，該橋前3階固有頻率實(shí)測(cè)值大于相應(yīng)的理論計(jì)算值，這就證明了實(shí)測(cè)振型與理論振型是基本吻合的，橋梁整體動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

⑶綜合靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，該橋承載能力滿足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。