大跨度連續梁橋的荷載試驗及性能評定

張蔚偉

1 同濟大學橋梁工程系（200092） 2 淮安市政設計院有限公司（223000）

橋梁荷載試驗是對橋梁結構進行直接加載測試的一項科學試驗工作,其目的是通過荷載試驗，了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態,從而判斷橋梁結構的安全承載能力，評價營運質量[1～3]。對新建橋梁進行荷載試驗不但可以準確評定橋梁的承載能力，而且是對設計與施工的驗證，為以后的橋梁設計與施工積累一定的資料。

本文結合南通市某新建城市橋梁大跨度預應力混凝土連續梁橋的荷載試驗,詳細闡述了荷載試驗內容及其橋梁承載力評定。該橋主橋采用雙幅分離式（50+80+50）m單箱雙室度預應力混凝土連續箱梁，底寬11.5 m，兩側懸臂長2.75 m，橋面寬17.0m，中支點處梁高 4.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高及底板厚按二次拋物線變化。橋梁立面布置及橫斷面見圖1、圖2。該橋荷載試驗的工作內容包含了試驗方案設計、靜載動載試驗。

圖1 橋梁立面布置圖(單位:cm)

圖2 主橋橫截面圖(單位:cm)

1 試驗方案設計

試驗設計方案前，需要對橋梁的現狀進行調查與檢測，獲取橋梁的實際幾何參數，以準確模擬試驗加載計算。主要包括橋跨結構線形和結構外觀主要缺陷和病害調查。

1.1 靜載試驗方案

靜載試驗的關鍵是準確的試驗加載模擬計算。本文首先用橋梁結構分析專用程序Midas/Civil對該橋進行結構計算分析。建立的全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

根據試驗加載模擬計算,確定主橋各測試控制截面,如圖4所示。

圖4主橋測試控制截面

各測試截面的具體測試內容即測試工況如下表1所示。

表1 各測試截面測試工況表

1）測點布置

應力測試采用穩定性好、精度高適于野外環境的表面振弦式應變計，其測點布置見圖5所示(腹板測點距上翼緣和底板各 5 cm)。

圖 5 主橋1-1、3-3截面應力測點布置圖

主梁豎向撓度，擬通過在箱梁底面布置棱鏡，采用徠卡2003全站儀進行三角高程測量，在底板外側布置2個測點，如圖5的點3、5所示。

2）加載車輛

車輛的加載方式包括了縱向加載布置和橫向加載布置。選用的車型按照規范[4,5]，靜載試驗采用30 t車進行等效加載，車型如圖6所示。

圖6 加載車型圖(單位:cm)

3）車輛橫向布置方式

車輛加載的橫向布置方式,除負彎矩加載工況只采用對稱加載外,其正彎矩加載工況均采用對稱和偏載兩種加載工況。

4）車輛縱向布置方式

車輛的縱向布置方式按照計算各工況最不利的情況進行加載，以主橋工況3(3-3截面)縱向加載為例，車輛縱向加載如圖7所示。

圖7 主橋工況3(3-3截面)縱向加載示意圖(單位:m)

1.2 動載試驗方案

1）自振特性測試

通過高靈敏度動力測試系統測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，測得結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力學特征。

2）車輛激振試驗

車輛激勵試驗工作內容包括行車試驗、剎車試驗和跳車試驗。測試截面選擇在活載作用下結構受力最大的位置，本橋動應變傳感器布置在主橋跨中箱梁底面。

2 試驗結果分析

結構性能評定根據如下:①施工圖進行計算得到的理論檢算值；②規范規定的撓度、強度和裂縫容許值[2,3]。本項目主要評定項目為:

1）校驗系數

校驗系數:評定結構工作狀況，確定橋梁承載能力的重要指標。其計算可統一采用:

η=實測值/理論值

對于預應力混凝土結構，一般認為當1.0≥η≥0.6時[4]，可反映結構的控制截面在擬定荷載等級作用下工作性能良好。此時，結構既有一定的安全儲備，且試驗方案設計合理，加載適中。

2）實測值和理論值關系曲線

結構計算時假定材料處于線彈性工作狀態。如果測點實測值與理論計算值成正比，其關系曲線接近直線，說明結構處于良好彈性工作狀況。

3）相對殘余應變

正常運營的橋梁應無殘余撓度，若出現殘余撓度，說明橋梁受到嚴重損傷或某處截面進入彈塑性。測點在控制荷載工況作用下的相對殘余變位Sp/St越小，說明結構越接近彈性工作狀況。

4）結構剛度要求

試驗荷載作用下，主要測點撓度校驗系數η應不大于1。各測點撓度應不超過規范規定允許值[6]。

3 靜載試驗結果分析

3.1 撓度試驗結果分析

限于篇幅,列出工況1和3下左右幅主橋撓度分析結果。

相對殘余變形分析也以主橋為例,在各試驗工況荷載作用下實測與分析，見表2所示。

表2 各工況下測點相對殘余變形表

從表2中所計算的相對殘余變形可以看出,在試驗荷載作用下，各測試斷面卸載后其相對殘余變形較小，均在文獻[6]規定的20%以內，表明結構處于線彈性工作狀態。

各控制截面的撓度實測值如下表3所示。

由表3中數據可以看出:

1）各撓度控制截面在試驗荷載作用下實測值均小于理論計算值，校驗系數小于1.0，且處于常值范圍內，表明結構整體剛度滿足設計要求。

表3 城北大橋靜載試驗撓度測試結果分析表（單位:mm）

2）各撓度控制截面的實測值遠小于規范規定的L/600，表明結構整體剛度較大，滿足規范要求。

3）各工況偏載作用下，底板兩側的撓度變化不明顯，結構抗扭剛度較好。

3.2 應力分析

應力分析僅以左車道左幅主橋腹板工況1對稱加載情況下為例，其實測值和理論值比較分析如圖8所示。

圖8 左幅主車道主橋工況1對稱加載下兩側腹板應力分布圖

通過應力實測值與理論值的分析，可得出如下結論:

1）各控制截面在試驗荷載作用下應力實測值均小于理論計算值，其應力校驗系數小于1.0，且處于常值范圍內，這表明其強度滿足設計要求。

2）在試驗荷載對稱和偏載作用下，箱梁腹板上沿高度的應變基本呈線性分布，符合平截面假定，表明結構的受力狀態處于線彈性工作狀態。

4 動載試驗結果分析

根據以往對橋梁結構自振特性測試的實踐,本次試驗采用環境隨機振動法。拾振儀采用國家地震局工程力學研究所研制生產的891－Ⅱ速度型傳感器。由采集的各測點時域波形圖，通過傳函分析和模態擬合，可得出橋梁的自振頻率和阻尼比如表4所示。

表4 自振特性實測值與理論計算值對比表

1）實測自振頻率值均略大于計算值，表明結構的整體剛度較大，滿足設計要求。

2）左幅主道橋主橋和左幅輔道橋主橋一階自振頻率實測值分別為1.514 Hz和1.465 Hz,由于自振頻率是結構的固有特性，反映結構的整體剛度，因此該特征參數可作為今后定期檢查的一個參考指標。

3）在不同速度勻速跑車作用下，各測點的動應變測試數據比較穩定，在剎車和跨越障礙作用下，動應變測試數據增長較小，表明實際動荷載對橋梁結構的沖擊較小。

5 結論

通過對城北大橋大跨度預應力混凝土連續梁橋的靜載試驗與動載試驗及其結果評定分析的闡述得出以下結論:

1）在試驗荷載作用下撓度實測值均小于理論計算值,其撓度校驗系數小于1.0，應力校驗系數也小于1.0且且控制截面撓度實測值小于規范規定的L/600，表明結構整體剛度滿足設計要求。

2）橋梁相對殘余變形較小，說明結構產生的撓度能夠恢復，結構處于線彈性工作狀態。

3）偏載作用下，底板兩側的撓度較對稱加載稍變化較小，偏載效應不明顯，結構抗扭剛度好。

4）實測一階自振頻率值均略大于計算值，表明結構的整體剛度較大，滿足設計要求。該參數可作為今后定期檢查的一個參考指標。

[1]章關永.橋梁結構試驗[M].人民交通出版社,2002.

[2]宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].2002.

[3]長安大學編.公路橋梁承載能力評定規程[S].2007.

[4]CJJ11－1993,城市橋梁設計準則[S],1993.

[5]CJJ77－1998,城市橋梁設計荷載標準[S].1993.

[6]交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京:1982,10.