賈毅 柳其錢 黃子秋 韋朝寬 李琪

（1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.云南省抗震工程技術研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著服役時間的增加，橋梁會產生損傷和老化、橋梁結構甚至會發(fā)生變形，對橋梁安全運營產生嚴重影響，因此對橋梁承載能力進行安全評估就顯得尤為重要。

橋梁的荷載試驗是對橋梁承載能力進行評估的主要手段，是了解橋梁性能參數(shù)、評定橋梁運營狀況最有效和最直接的一種方法［1］。結合有限元軟件建模進行理論分析，通過實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比，對橋梁的承載能力進行科學評估?；陟o載試驗測得橋梁的剛度和強度，通過動載試驗測得橋梁的模態(tài)參數(shù)和橋梁的平整度，進而對橋梁的工作狀態(tài)進行綜合的評定［1］。王建超等［2］對鋼-混凝土組合橋梁中組合梁的承載力進行了可靠度分析；賈毅等［3］對寬幅連續(xù)箱梁橋及大垮連續(xù)剛構橋進行了承載能力的分析；王小松等［4］基于復合形法對荷載試驗中的車輛布置進行了優(yōu)化設計；陳志為等［5］使用BIM 技術對橋梁承載能力進行了評定。

目前已有的橋梁荷載試驗對象主要是普通的連續(xù)剛構橋，而對鋼箱組合連續(xù)梁的承載能力研究少之又少，尤其是較大跨徑的鋼箱組合連續(xù)梁研究。由此，筆者以某鋼箱組合梁橋為工程背景，以荷載試驗為手段，對該鋼箱組合梁的安全性與耐久性進行研究。其中，通過靜載試驗得到的應力、撓度等數(shù)據(jù)測得橋梁的強度和剛度；通過動載試驗實測橋梁在無障礙行車試驗、制動試驗、脈動試驗等作用下結構的模態(tài)參數(shù)和動力響應。該橋的荷載試驗的方案和數(shù)據(jù)可為鋼箱組合梁橋的發(fā)展和應用提供參考。

1 工程概況

某鋼箱組合連續(xù)梁橋上部結構為2×76 m，車道布置為0.5m（護欄）+9m（車行道）+0.5m（護欄）=10m。橋面鋪裝分為2 層，上層為10 cm 厚瀝青混凝土，其結構形式同路面結構；下層普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁為8 cm厚C45 混凝土，鋼混組合梁為8 cm厚C50混凝土；上、下層間設橋面防水層。設計荷等級為公路-Ⅰ級（JTGD60—2015），設計車行速度為50km/h。橋梁立面及測試截面圖如圖1 所示。

圖1 橋梁立面及測試截面（單位：cm）

利用有限元軟件Midas Civil建立該鋼箱組合梁橋模型（圖2），依據(jù)規(guī)范［6］并結合實際情況按影響線確定試驗荷載的大小和位置［7］。

圖2 有限元模型

2 靜載試驗

2.1 測點布置

為評估該鋼箱組合梁上部結構在設計荷載下的承載能力與使用狀況，對其進行靜載試驗。為了滿足規(guī)范［6］設計要求，測試截面按照最不受力原則選定。撓度的測點布置在四分點截面及A1、A2截面，見圖3（a），且在橋面左右2 側各布置1 個豎向位移測點，距行車道防撞墻內側0.10 m，采用電子水準儀測量，每截面2 個測點，見圖3（b），全橋共16 個測點。在箱梁A1、A2截面布置應變測點時應變測點均為單向測點，布置于各箱梁底面及外側側面，見圖3（c），采用鋼結構電阻式應變片測量，A1、A2截面每截面布置7 個測點，Z11f截面布置5 個測點，見圖3（d），全橋共布置19 個測點。

圖3 測點布置（單位：cm）

2.2 橋梁靜載試驗方案

靜載試驗是將靜止荷載加在關鍵截面上，觀察結構應變狀態(tài)和變形情況，使試驗荷載與控制荷載比值在規(guī)范要求之內，并判斷在荷載作用下橋梁結構承載能力的工作性能。

通過有關規(guī)范并結合有限元模型計算分析，靜力試驗共布置了6 個工況，工況1、2 為A1截面最大正彎矩正載和偏載；工況3、4 為A2截面最大正彎矩正載和偏載；工況5、6 為Z11f最大負彎矩正載和偏載。

本次荷載試驗共采用6 輛354 kN雙后軸載重汽車，為保證試驗安全，試驗車輛將采取分級加載。

2.3 靜載試驗效率

此次荷載試驗為該橋交工驗收時，各試驗工況均按2 級進行加載，1 級卸載，為規(guī)范［6］的要求，各工況的加載效率q應為0.85 ～1.05。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)表明，最大荷載效率出現(xiàn)在跨中控制截面進行中載時最容易對橋梁結構產生影響，計算得到試驗荷載效率為0.87~0.92，如表1 所示，滿足規(guī)范要求。

表1 試驗荷載效率

2.4 撓度測試結果

在工況1—工況4 作用下，各截面撓度結果如圖4 所示、撓度系數(shù)如圖5 所示。

圖4 各工況下截面撓度結果

圖5 各截面下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)

由圖4 可知，測得各個測點的實際值均小于理論值且撓度曲線基本一致，表明橋梁整體工作性能正常。從圖5 可知，撓度校驗系數(shù)為0.77~0.85，說明橋梁結構剛度性能良好。

2.5 應變測試結果

為了解應變沿截面高度分布是否符合平截面假定，除了在箱梁底面布置應變測點外，另在11#跨箱梁A1截面左側腹板布置2 個應變測點。工況1—工況6 作用下的應變實測結果、理論計算結果、應變檢驗系數(shù)如圖6—圖7 所示，相對殘余應變如表2 所示。

表2 相對殘余應變

圖6 不同工況的應變

圖7 不同工況下應變校驗系數(shù)

從圖6 中可知，在荷載作用下，各測點的應變均小于理論值，控制截面應變隨高度變化符合平面假定。從圖7 可知，應變校驗系數(shù)為0.697~0.776，從表2 中可知，最大相對殘余應變?yōu)?8%，小于20%。橋梁結構的剛度和強度均滿足設計要求。

3 動載試驗

3.1 振動模態(tài)測試

橋梁動載試驗是用激振方法激起橋梁的振動，并測定橋梁結構的振動模態(tài)參數(shù)和動力響應［8］。本次動載試驗包括無障礙行車試驗、制動試驗、脈動試驗。采用脈動法測試分析結構自振參數(shù)，得到的實測自振頻率值與理論值結果如表3 所示。

表3 模態(tài)分析結果

3.2 動應變分析

無障礙行車試驗是為了測定橋面鋪裝是否平整，車輛行駛是否舒適［9-10］。布置1 輛350 kN 的加載車輛，再以表4 中3 個工況的速度通過橋梁，測得橋梁的動力響應［11］。測點布置方式與靜力應變試驗相同，位置見圖8，采用JM3844 多功能動態(tài)應變測試系統(tǒng)進行測試。

表4 無障礙行車試驗結果

圖8 Z11f 截面動應變測點布置（單位：mm）

制動試驗是讓加載車在一定速度下在動態(tài)響應較大的地方剎車，從而得到橋梁結構在沖擊荷載下的響應。加載車輛與無障礙行車試驗相同，車速取20 km/h，剎車部位為Z11f截面附近橋面。根據(jù)試驗時箱梁Z11f截面動應變時程曲線提取各測點的最大動應變如表5 所示。

3.3 動載試驗結果分析

通過對11#—12#跨的自振參數(shù)測試結果的分析得出結構自振頻率和阻尼比，實測阻尼比分別為1.86%、1.37%，第1 階、第2 階豎彎頻率實測值分別為1.86Hz、2.38Hz，大于理論計算頻率1.36Hz、2.07Hz，實際剛度要優(yōu)于理論剛度，表明橋梁剛度滿足規(guī)范要求［6］。

無障礙行車試驗測得最大沖擊系數(shù)為0.025，理論沖擊系數(shù)=0.05，表明橋梁的沖擊效應滿足上述規(guī)范要求。在無障礙行車試驗和制動試驗時，11#—12#跨測試截面的最大動應變分別為26和6，試驗過程中動應變化較為平滑。該橋的實測自振特性及動力響應滿足設計要求。

4 結論

1）該鋼箱組合梁靜載試驗表明該橋的撓度校驗系數(shù)為0.77~0.85，應變校驗系數(shù)為0.697~0.776，各工況下截面實測值均小于其對應的理論值，表明該橋具有一定的安全儲備。

2）選取的控制截面在卸載后的最大相對殘余應變（16.0%）小于20%，說明該橋在荷載作用沒有出現(xiàn)較大不可恢復變形。

3）動載試驗下橋梁第1 階豎彎自振實測值為1.51 Hz，大于理論值1.36 Hz、阻尼比為1.86%、沖擊系數(shù)為0~1.025。在制動試驗和無障礙行車下，橋梁的最大沖擊系數(shù)小于規(guī)范值，表明橋梁結構剛度滿足設計要求，可以滿足行車舒適的要求。

4）建議加強橋梁日常養(yǎng)護和管理工作，出現(xiàn)問題要及時解決，保證橋梁結構行車安全和良好的使用狀態(tài)。