義烏賓王大橋靜動力性能試驗研究分析*

祁志偉，方淑君，王 捷，常嬋子，周智輝

(中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075)

1 工程概況

賓王大橋地處義烏市新區中心，是浙江義烏新區通往東陽江東岸規劃開發中的新區的紐帶，賓王大橋不僅要承擔義烏火車站經賓王大道到東陽江東岸新區的主要過江車輛人群交通，同時，賓王大橋在建筑造型上要與蓬勃發展中的義烏新區建筑相協調，成為新義烏市區的建筑景觀。主橋采用三跨55.25 m+80 m+52.25 m下承式鋼管混凝土系桿拱，中跨矢跨比 f/l=5.0，矢高 f=15.6 m，邊跨矢跨比f/l=4.5，矢高f=11.866 7 m。主橋拱肋鋼管采用圓端形，厚度為d=16 mm的鋼板彎成二個直徑為1 400 mm的圓及1 400 mm直段，焊成1 400 mm的拱肋斷面。鋼管拱內用周圍鋼板(d=10 mm)及鋼筋加勁，加勁肋間距900 mm。拱肋內灌注微膨脹混凝土。加勁縱梁采用大懸臂梯形單箱多室等截面箱梁與拱圈構成剛梁柔拱體系，縱向預應力采用φj15－9高強低松弛鉸線，采用OVM錨具錨固;橫梁中采用與縱向相同的預應力索。主橋橫向采用φj15－3扁索及相應的OVM扁錨具錨固。每根吊桿采用1根φj15－9鋼鉸線單向張拉，考慮沖擊影響，按荷載組合最大內力進行計算。橋面為適應后期內力需要，采用C30混凝土。賓王大橋全橋共有4個3.5 m寬度的機動車道，2個5.0 m寬度的非機動車道，2個2.5 m的人行道，中間設置的中央分隔帶橋面寬度為(2.5+5+7+3.2+7+5+2.5 m)=32.2 m(欄桿寬2×0.25 m未包括在內)。中分隔帶兩側范圍設置防撞護欄。

2 靜載試驗

橋梁靜載試驗是按照預定的試驗目的和試驗方案，將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，觀測橋梁結構的靜力位移、靜力應變、裂縫、沉降等參量的試驗，然后，根據有關規范和規程的指標，判斷橋梁結構的承載能力以及在荷載作用下工作性能。試驗分為上部試驗，如梁橋、鋼構橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋的上部結構，還有下部試驗，如橋墩、橋臺和基礎。

橋梁靜載試驗檢驗橋梁結構的設計與施工質量，驗證結構的安全性與可靠性;驗證橋梁結構的設計理論與計算方法，充實與完善橋梁結構的計算理論與施工技術，積累科學技術資料;掌握橋梁結構的工作性能，判斷橋梁結構的實際承載能力。

靜載試驗分為3個階段。

(1)準備規劃階段。包括:①技術資料的收集，包括設計、施工、監理、試驗、養護與維修、環境因素、交通量及重載車輛的情況等;②橋梁現狀檢查，包括橋面、排水、承重結構開裂與否及裂縫分布情況、有無露筋現象及鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化剝落程度、支座、沖刷等;③理論分析計算，設計內力計算是按照設計圖紙、設計荷載、設計規范，采用專用或通用軟件，計算出結構的設計內力;試驗荷載效應計算是按實際加載等級、加載位置及加載重量，計算出各級試驗荷載作用下橋梁結構各測點的反應，如位移、應變等，以便于實測值進行比較;④試驗方案制定，包括測試內容確定、加載方案設計、觀測方案設計、儀器儀表選用等;⑤現場準備，包括搭設工作腳手架、測量儀表支架、測點放樣、測試元件布置、測試儀器安裝調試、通訊照明安排等。

(2)加載與觀測階段。分準備工作、試驗方案加載、觀測試驗結構受力后的各項性能指標、記錄各種觀測數據和資料4個步驟，將得到的各種技術數據與理論計算結果進行現場分析比較，以判斷受力后結構行為是否正常，是否可以進行下一級加載，確保試驗結構、儀器設備及試驗人員的安全。

(3)分析總結階段。大量的觀測數據、文字記載和圖片等材料，受各種因素的影響，原始測試數據一般顯得缺乏條理性與規律性，未必能直接揭示試驗結構的內在行為，對它們進行科學的分析與處理，去偽存真，進行綜合分析比較，從中提取有價值的資料，對于一些數據和信號，有時還需按照數理統計或其他方法進行分析，或依靠專門的分析儀器或分析軟件進行分析處理，或按照有關規程的方法進行計算，測試數據經分析處理后，按照相關規范或規程以及檢測的目的要求，對檢測的對象做出科學準確的判斷和評價。

根據賓王大橋特點，充分利用對稱性，試驗跨選東側邊跨和中跨進行荷載試驗，確定的主要試驗內容為:(1)各試驗跨橋面控制截面(L/2，L/4，3L/4和中支點等截面)最大正彎矩作用下的應力狀態、撓度和扭轉變位(包括上、下游兩側撓度差);(2)拱角控制截面最大內力(彎矩、軸力)作用下的應力、撓度(變形)情況;(3)偏載作用下結構的受力狀態和偏載系數;(4)裂縫的出現及擴展情況。

2.1 加載工況及輪位布置結果及其對比分析

賓王大橋試驗跨及控制截面見圖1，測量位置見圖2。

圖1 賓王大橋試驗跨及其控制截面Fig.1 Test crosses and control section of the Binwang Bridge in Yiwu

圖2 控制截面應變測點位置圖Fig.2 Locations of the strain measuring points of the control sections

為了準確分析該結構特性和確定最不利輪位布載，主要采用橋梁博士以及MIDAS大型有限元分析程序分別計算內力影響線、控制截面的應力和變形等參數。

表1 靜載試驗工況Table 1 Static test conditions

2.2 撓度試驗結果及分析

工況一、二時撓度實測值與理論值比較曲線如圖3所示。

表2 工況一下邊跨(55 m)撓度實測值和理論值比較表Table 2 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the side span for condition 1 mm

表3 工況二下中跨(80 m)撓度實測值和理論值比較表Table 3 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the central span for condition 2 mm

圖3 撓度曲線圖Fig.3 Deflection curves

經計算得各測點豎向撓度的校驗系數為0.28～0.97，而主要測點的撓度校驗系數為0.63 ～0.97，表明該橋的工作狀況良好，具有足夠的安全儲備。

在中跨對稱加載時，跨中撓度在扣除支座沉降影響之后為8.950 mm(2006 年)，9.914 mm(2011年)，小于理論計算值13.42 mm，撓度校驗系數為0.74;在邊跨對稱加載時，跨中撓度在扣除支座沉降影響之后為6.318 mm(2006年)和7.995 mm(2011年)，小于理論計算值10.58 mm，撓度校驗系數為0.76，說明結構實際剛度比理論剛度大，滿足設計及規范要求。

2.3 控制截面應力試驗結果及分析

在各個工況下，邊跨、中跨截面實測應力和理論計算值分布情況如表4所示。

表4 各工況下截面應力分布圖Table 4 Stress distribution of section on each condition

實測該橋中跨(80 m跨)、邊跨(50 m跨)跨中梁底拉應力平均值分別為1.205 MPa和1.12 MPa(2006 年)，1.232 MPa和0.532 MPa(2011 年)，小于理論計算值1.68 MPa和1.40 MPa(2006 年)，2.02 MPa和1.62 MPa(2011年);實測中跨、邊跨拱腳正應力為 －1.733 MPa和 －1.645 MPa(2006年)，－1.738 MPa和 －1.721 MPa(2011 年)，小于理論計算值 －1.96 MPa和 －1.84 MPa(2006年)，－2.12 MPa和 －2.7 MPa(2011 年);所有控制截面應力校驗系數為0.64～0.90，在最不利(對稱)荷載作用下，各控制截面的應變校驗系數滿足《大跨度混凝土橋梁試驗方法》3.19.2條款的規定，及校驗系數為0.6～1.1，說明結構具有一定的應力儲備。

與撓度測試相比，應力測試的精度一般相對較低，且測試結果有一定的離散性。因此，結構的靜力性能評價應以撓度為主要指標，應力作為參考。

3 動力性能試驗

橋梁結構的動力荷載試驗是研究橋梁結構的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯合振動特性。這些測試結果數據是判斷橋梁結構運營狀況和承載特性的重要指標。橋梁結構振型的振動周期(或頻率)與結構的剛度有著確定的關系。在設計時亦要避免引起橋跨結構共振的強迫振動振源(如風、車輛等)的頻率與橋跨自振頻率相合，引起過大的共振振幅危及橋梁。

在某一行車速度下，或接近或達到臨界速度時，結構的動撓度和動應力會達到最大，在設計中這種動力放大作用是采用沖擊系數來考慮的。沖擊系數是橋梁設計的重要技術參數，直接影響到橋梁設計的安全與經濟性能，實測并積累有關沖擊系數的數據，是橋跨結構動力荷載試驗的任務之一。在某振動頻率下過大的振幅，會使乘客和行人感覺不舒服。當橋梁自振頻率處于某些范圍時，外荷載(包括行駛車輛、行人，地震、風載，海浪沖擊等)也可能會引起橋共振。近年來研究的橋梁結構病害診斷，實際也是以橋跨結構或構件固有頻率的改變為根據的。因此，對新建的橋梁、舊橋以及對結構承載能力有疑問的橋梁均需進行動力荷載試驗。

本橋結構動力分析采用大型有限元分析程序MIDAS，建立理論模型，全面分析結構的動力特性和動力反應。動載試驗時，采用靜載試驗加載重車分別以30～50 km/h的速度駛過橋梁，每種速度重車各往返跑兩次。測定梁指定部位的振動位移，求出梁體的豎向、橫向最大振幅和相應的沖擊系數。采用脈動試驗測定全橋的1～6階自振頻率、振型及阻尼比。動載試驗主要工況有跑車(行車)、跳車等。

3.1 測點布置

動力測點布置見圖4。

圖4 動力測點布置示意圖Fig.4 Arrangement diagram of the dynamic observation point

3.2 動位移試驗結果及對比分析

通過對拾振器記錄到的位移曲線進行振動幅值的掃描分析，求出橋梁結構的最大位移幅值。通過對動信號進行幅值與相位譜、功率譜、相干函數分析，得出橋梁結構的自振頻率、振型，見表5。

表5 全橋行車動位移測試結果Table 5 Test results of the full bridge vehicle dynamic displacement mm

由表5可知:在不同行車速度和試驗車作用下，實測的豎向最大振幅為0.967 0 mm(2006年)，0.466 8 mm(2011年);橫向最大振幅為0.085 4 mm(2006 年)，0.048 7 mm(2011 年)。隨著行車速度的增加，豎向振幅、加速度總的呈增大趨勢，并且在不同行車速度下，各跨跨中的豎向動位移比橫向大很多，說明該橋橫向剛度教豎向剛度大，各測點的動位移基本符合受力規律。

3.3 自振頻率、阻尼比試驗結果及對比分析

通過對脈動及列車過橋后的余振波形進行譜分析，得到橋梁的縱向、橫向及豎向自振頻率及阻尼比，結構自振頻率實測值與理論計算值的比較如表6所示。

表6 自振頻率的實測值與理論值的比較Table 6 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the natural vibration frequency Hz

由表6可知:自由振動激發的主要是結構的一階頻率(因其能量最大)，對自由振動響應作頻譜分析可得出結構的一階豎向自振頻率實測值均較理論計算值稍大，說明該橋實際豎向剛度良好。

從結構自由衰減振動信號還可得出結構模態阻尼比，識別模態阻尼比的方法是對數衰減率法，識別結果分別約為7.43%(邊跨)和6.45%(中跨)(2006 年)，8.87%(邊跨)和 7.42%(中跨)(2011年)，與一般橋梁結構臨界阻尼比1% ～10%接近，屬正常范圍。

4 裂縫試驗結果對比與分析

在2006年對該橋做過靜動載試驗及外觀分析，得出該賓王大橋在試驗荷載作用下的工作性能良好，實測結果與理論計算吻合較好，整體性能良好，強度、剛度均滿足要求。下面是此次裂縫觀測及其檢測試驗結果與2006年試驗結果的對比，見表7。

表7 裂縫前后試驗實測值與理論值的比較Table 7 The comparison between the experimental results and the theoretical value before and after test

通過上表中前后靜動載試驗可以得出以下主要結論:應力、撓度實測撓度小于理論計算值，主要截面的撓度校驗系數都在合理的限制之內，且裂縫的寬度也滿足規范要求，但有增大的趨勢。原因是橋梁的通行量大，堵車狀況嚴重，將橋梁的非機動車道改為機動車道來通行，增加了橋梁的承載、后期保養、混凝土自身的缺陷及其索拉力的減弱等方面，但總體的數據表明該橋整體狀態良好，承載力具有足夠的安全儲備。

5 結論

(1)在中跨對稱加載時，跨中撓度小于理論計算值，撓度校驗系數在規定范圍內，在邊跨對稱加載時，跨中撓度在小于理論計算值，撓度校驗系數在規定范圍內，說明結構實際剛度比理論剛度大，滿足設計及規范要求。

(2)實測梁底拉應力小于理論計算值，拱腳實測值小于理論計算值，所有控制截面應力校驗系數為0.60～0.90，說明結構具有一定的應力儲備。

(3)在試驗車作用下，實測的豎向最大振幅、橫向最大振幅在規范容許的范圍內。

(4)結構的一階豎向自振頻率實測值均較理論計算值稍大，說明該梁的實測動剛度比設計動剛度要大，結構動力性能良好。

(5)橋梁的裂縫長度、寬度都增大的傾向，但總體上，裂縫的寬度都在規范規定的要求之內。

建議對此類大橋在運營階段進行定期動載試驗，通過測定橫向振幅及自振特性對大橋的健康狀態進行評估，以確保大橋及列車運行的安全。

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