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三跨變高度預應力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全長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，主邊墩采用3 根φ200 鉆孔灌注樁，上為排架式墩臺。橋梁設計荷載為汽-20，驗算荷載掛-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）

荷載試驗是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)承載能力最直觀、有效的方法，主要分為靜載試驗和動載試驗兩部分。對于橋梁的承載能力評價，主要運用靜載試驗中控制截面的應力、應變和撓度校驗系數(shù)作為評價依據(jù)，同時運用測點的相對殘余應變來評價橋梁的彈塑性工作狀態(tài)；通過動載試驗中結(jié)構(gòu)的自振特性和沖擊系數(shù)評價橋梁的動力特性［1-2］。該橋運營近20 年，為了判定橋梁結(jié)構(gòu)剛度變化情況、實際的工作性能和承載能力，對該橋進行荷載試驗，為橋梁后期養(yǎng)護管理提供科學依據(jù)。

2 有限元計算模型

依據(jù)橋梁竣工圖紙資料，現(xiàn)場校核結(jié)構(gòu)實際尺寸，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試內(nèi)容，利用模型計算設計活載作用下控制截面的內(nèi)力、變形，按照內(nèi)力等效原則計算所需的試驗荷載，確定加載重車的配重及布置，制定加載方案。橋梁設計荷載等級根據(jù)圖紙取用。

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

3 靜載試驗

3.1 試驗控制截面

橋梁靜載試驗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圖如圖3 所示。由計算結(jié)果可知，該橋靜載試驗控制截面為主跨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Z2、Z3 處最大負彎矩截面。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的對稱性及經(jīng)濟效益，最終選取的試驗控制截面如圖1中所示（截面1-1、2-2、3-3）。

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

3.2 試驗工況及試驗荷載效率

根據(jù)選取的試驗控制截面，確定該橋的試驗工況如表1所示。

表1 靜載試驗工況Tab.1 Static Load Test Conditions

利用有限元計算模型，通過控制截面的彎矩來影響線動態(tài)加載，便可對各試驗工況試驗車輛縱向加載位置、配重及試驗加載效率進行計算以及確定［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

本次靜載試驗采用35 t三軸重車，各工況試驗荷載效率系數(shù)如表2所示，滿足文獻［4］要求。該橋處于市區(qū)交通繁忙路段，故應考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進行適當合并［5］。

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

3.3 測點布設

橋梁靜載試驗的主要目的是測試橋梁在相當于設計荷載的試驗荷載作用下體現(xiàn)其強度、剛度及穩(wěn)定性的參數(shù)值，并與理論計算值進行對比，進而對橋梁作出評價［6-7］。對于該橋，主要對主梁在試驗荷載作用下的應變、撓度等參數(shù)進行測試，將測試的實際值與理論值進行比較［8］。

控制截面1-1、2-2、3-3每個截面布置9個應變測點；撓度測點沿橋梁上、下游分別布置在每跨的支點、L/4截面、L/2截面、3L/4截面處，如圖5所示。

圖5 應變、撓度測點布置Fig.5 Layout of Strain and Deflection Measuring Points（cm）

4 靜載試驗結(jié)果分析

4.1 應變測試結(jié)果分析

工況1～工況3 主梁控制截面測點的應力測試結(jié)果如表3 所示。限于篇幅，此處只列出主梁底部應變測點測試結(jié)果。

表3 工況1～3應變測試結(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試驗荷載作用下，各控制截面測點應變校驗系數(shù)介于0.88～0.92 之間，應變實測值均小于理論值；相對殘余應變介于3.49%～5.56%之間，均小于20%，說明橋梁結(jié)構(gòu)力學性能良好，處于彈性工作狀態(tài)［9］。

4.2 撓度測試結(jié)果分析

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

圖6 工況1～2各截面撓度測點計算值與理論值比較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 試驗荷載作用下，1-1、2-2 控制截面附近橋面撓度實測結(jié)果如表4 所示。由表4 可知：在各工況試驗荷載作用下，各控制截面撓度測點校驗系數(shù)介于0.85～0.90 之間，撓度實測值均小于理論值；相對殘余應變介于3.62%～6.13%之間，均小于20%，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

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

4.3 裂縫觀測情況

在試驗前、試驗過程中和試驗后，試驗橋跨未發(fā)現(xiàn)可見裂縫和其他異常情況。

5 動載試驗

5.1 試驗方法

因為該橋梁要進行的動載試驗，故而選擇動載試驗中的脈動實驗來進行測試，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)測定出來。脈動試驗的激勵采用天然狀態(tài)，將試驗所用的傳感器布置在橋面上，以此獲取橋梁結(jié)構(gòu)因大地脈動和周圍環(huán)境的各種擾動所引起的振動信號，對數(shù)據(jù)進行采集，進行試驗模態(tài)的分析，從而獲得結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)［10］。

為了測出該橋前三階豎向振動振型，沿橋梁上游縱向在每孔八分點處均勻布置豎向振動測點，共計25個測點。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 動載試驗結(jié)果分析

該橋?qū)崪y前3階各階固有頻率與理論計算頻率值如表5所示。

表5 檢測橋跨自振頻率及振型理論計算及實測結(jié)果Tab.5 Theoretical Calculation and Measured Results of Natural Frequency and Vibration Mode of Bridge Span

脈動試驗結(jié)果表明，該橋各階實測振型與理論振型基本一致，各階固有頻率實測值大于理論計算值，表明橋梁整體動力剛度滿足要求。

6 結(jié)論

⑴結(jié)合該橋進行的靜載試驗的測試結(jié)果，得出：在試驗荷載作用下，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)過測試所獲得的實際數(shù)據(jù)，其變化規(guī)律與理論計算是基本保持一致的，在進行卸載后也能基本恢復原狀，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)滿足設計荷載等級的要求。

⑵對脈動試驗所得的結(jié)果進行分析，該橋前3階固有頻率實測值大于相應的理論計算值，這就證明了實測振型與理論振型是基本吻合的，橋梁整體動力剛度滿足設計要求。

⑶綜合靜動載試驗結(jié)果，該橋承載能力滿足原設計荷載等級的要求。