動靜荷載試驗在橋梁檢測中的應用

◎ 河北省秦皇島開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 閆玉民

近幾年，我國的公路和城市道路橋梁相繼發(fā)生跨塌事故，為了保證橋梁處于完好的技術(shù)狀態(tài)，需要對使用中的橋梁進行檢測和判定，檢測內(nèi)容通常包括：外觀檢查和實體檢測。外觀檢查包括：橋面系構(gòu)造的檢查，上部結(jié)構(gòu)的檢查，支座的檢查，墩臺與基礎(chǔ)的檢查。

實體檢測包括：砼強度及碳化深度檢查，主要結(jié)構(gòu)尺寸檢測，鋼筋保護層厚度和鋼筋銹蝕程度檢測，通過動、靜載對橋梁結(jié)構(gòu)檢測。本文以102國道秦皇島湯河橋為例介紹該橋的動、靜荷載試驗情況。

1、工程概況

102國道秦皇島湯河橋跨越湯河，歸屬秦皇島市城管局管理和養(yǎng)護。該橋為不同時期修建的兩座并列的橋梁，上游橋（上行線—北橋）為1966年修建，下游橋（下行線—南橋）為1972年修建。

橋梁總長為154.54m，結(jié)構(gòu)為13×11.5m簡支梁結(jié)構(gòu)。橫向為上、下游橋并列，跨徑相同，相距3.35m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式加蓋梁墩、臺，雙柱式鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩柱直徑分別為：上游橋0.8m；下游橋1.0m。橋面凈寬為：0.7m人行道（北側(cè)）+7.0m（車道）+3.35m分隔帶+凈9.0m（車道）+1.0m人行道（南側(cè)），為雙向四車道。

該橋橋面多處出現(xiàn)坑槽，橋跨結(jié)構(gòu)破損嚴重，疑屬危橋。

限于篇幅，在這里只介紹北橋的動、靜荷載試驗情況。

2．橋梁檢測

2.1 試驗、檢測內(nèi)容

（1）橋跨結(jié)構(gòu)整體工作性能試驗（荷載橫向分布）；

（2）主梁承載能力試驗；

（3）主梁動荷載試驗。

2.2 主要儀器設(shè)備

（1）TST3821E 無線靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)；

（2）DY-3動態(tài)數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)；

（3）電子位移計、千分表。

2.3 橋梁編號與測點布置

自秦皇島市區(qū)方向（東）為0#橋臺；撫寧方向（西）為13#橋臺。橋墩依次為1#、2#、3#??????12#。

主梁編號為：自北向南，依次為1#、2#、3#、4#、5#。如北12-4在橋梁中的具體位置指北橋第12跨北起第4#梁（下同）。

根據(jù)橋梁檢測方案，結(jié)合橋梁現(xiàn)場觀察，該橋選擇具有代表性的第10跨、11跨作為橋梁結(jié)構(gòu)檢測單元。

2.4 位移測點

簡支梁支點、跨中截面點處各設(shè)位移傳感器測點。

測點布置為1#至5#梁梁肋處 (見圖2-1)。

2.5 應變測點

分別在10跨、11跨北橋1#—2#工字梁梁肋跨中側(cè)面（圖2-2）布置混凝土應變測點；距離理論支撐線40cm布置主應力測點。

圖2-1 10跨、11跨撓度測點布置圖

圖2-2 10、11跨1#-2#梁混凝土應變測點布置示意圖

2.6 加載方案

2.6.1 荷載橫向分布

單-20t跨中加載，荷載位置：1#偏；2#；3#；4#；5#偏。

2.6.2 橋梁承載力試驗加載

加載車：20t加載車2輛；30t加載車2輛；42t加載車2輛。

加載工況：

表3-1 跨中位移橫向分布實測位移

（1）單20t偏載（偏1#梁）；單20t對稱（位于3#梁位）；

（2）雙20t偏載（偏1#梁）；雙20t對稱（對稱于3#梁）；

（3）雙30t偏載（偏1#梁）；雙30t對稱（對稱于3#梁）；

動荷載試驗：單30t偏載、對稱分別以20km/h、40 km/h、60 km/h行駛。

3．靜荷載檢測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 橋跨結(jié)構(gòu)承載力試驗

3.1.1 跨中荷載橫向分布

（1）各主梁的荷載橫向分布系數(shù)

1）根據(jù)數(shù)據(jù)文件的計算結(jié)果形成如下橫向分布系數(shù)計算說明書。

2）計算方法∶ 跨中截面按彈性支撐連續(xù)梁計算。

3）結(jié)構(gòu)描述∶ 人行道寬度：0.70m；行車道寬度：凈7.0m ；主梁肋間距：1.5m；主梁跨徑：11.5m；主梁數(shù)：5；車道數(shù)：2；外側(cè)翼緣寬度：0.80m；上翼緣平均厚度：0.15m；腹板寬度0.16m；工字梁部分高度0.60m，微彎板根部高0.2m。

4）活載信息

汽車荷載：汽車-15級；人群荷載：3.0KN/m2。

橫向分布系數(shù)計算結(jié)果∶

主梁號 汽車 人群

1 0.470 0.713

2 0.476 0.457

3 0.400 0.200

（2）測試結(jié)果

本試驗是在橋面上加載汽車進行的，各主梁位移測試結(jié)果如表3-1：

表3-2 荷載橫向分布影響線

從上表數(shù)據(jù)可以看出，偏載時荷載基本上在相鄰的3片梁之間傳遞，說明橋梁橫向剛度很弱。計算1#～5#主梁的荷載橫向分布系數(shù)影響線列表3-2。

整理的荷載橫向分布影響線如圖3-1、圖3-2。

實測結(jié)果表明：

1）實測各主梁跨中截面荷載橫向分布規(guī)律偏離按彈性支撐連續(xù)梁計算荷載橫向分布結(jié)果。

2）荷載主要在相鄰梁間傳遞荷載，相距較遠的梁分擔荷載的能力很弱。實測邊主梁分布系數(shù)大。

3.1.2 主梁承載力試驗

表3-3 荷載橫向分布系數(shù)匯總

（1）推算各主梁在加載條件下所受的彎矩如表3-4。

（2）試驗荷載效率

靜載試驗效率η（見表3-5）

試驗荷載效率為0.96～1.18，對應于最大彎矩的荷載試驗效率為1.18，符合試驗規(guī)程[4]要求。

（3）主梁加載撓度

跨中撓度實測值見表3-6

位移測試結(jié)果表明：加載效率符合《公路舊橋承載力鑒定方法》【6】要求，實測撓度校驗系數(shù)0.621～1.280之間，橋跨結(jié)構(gòu)承載力已經(jīng)不能滿足20噸載重汽車要求。實際通行的汽車荷載不能超過15噸。

表3-4 加載實測跨中彎矩

表3-5 試驗效率

3.1.3 混凝土應力應變

混凝土應力應變采用電阻應變片、dataTaker DT615數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測。本試驗檢測第10跨、11跨跨中截面工字梁側(cè)面混凝土5個測點。各級荷載下的理論與實際情況下的應變?nèi)缦拢?/p>

從以上測試結(jié)果看出，實測跨中最大應變已超過計算值，說明橋梁的承載力不滿足汽車-15荷載要求；實際中性軸高度比理論中性軸高度偏高。應力應變圖如下（圖3-3），實測混凝土最大名義拉應力 。

3.2.3 混凝土應變檢測

圖3-1 北橋10跨荷載橫向分布影響線

圖3-2 北橋11跨荷載橫向分布影響線

圖3-3 偏載跨中截面應力應變圖

混凝土應力應變采用電阻應變片、TST3821E 無線靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)檢測。本試驗檢測第10跨、11跨跨中截面工字梁側(cè)面混凝土5個測點。各級荷載下的理論與實際情況下的應變?nèi)缦拢ū?-9）：

表3-6 實測加載跨中撓度（mm）

表3-7 實測跨中撓度校驗系數(shù)

表3-8 偏載加載混凝土應變（×10-6）

表3-9 偏載加載混凝土應變（×10-6）

從以上測試結(jié)果看出，實測跨中最大應變接近于計算值，說明橋梁的承載力已超出設(shè)計荷載要求；實際中性軸高度比理論的偏高。應力應變圖如下（圖3-4），實測混凝土最大拉應力 已經(jīng)遠超過混凝土極限抗拉強度，混凝土開裂。

3.4 橋梁承載力評定

經(jīng)過荷載試驗和橋梁驗算，橋跨結(jié)構(gòu)不滿足荷載要求。

（1）湯河橋不滿足承載力要求，發(fā)生嚴重橋梁事故的概率很大。一旦發(fā)生將是災難性的。

（2）湯河橋的荷載通行能力：不滿足汽-10級荷載（原橋梁設(shè)計荷載標準）。

（3）實際橋梁通過的荷載已經(jīng)嚴重超載，并已經(jīng)對橋梁造成了實際的破壞。

圖3-4 偏載加載跨中截面應力應變圖

4．動力性能測試與結(jié)果分析結(jié)果

本次檢測選取與靜載試驗同跨（第10跨和第11跨）為試驗對象。采用載重汽車（汽30t）行駛激振方式，行駛車速分別為20km/h； 40km/h；60 km/h，對稱行駛，采集其振動特性，主要測試內(nèi)容包括：

(1) 橋梁自振頻率；

(2) 汽車沖擊系數(shù)。

測試儀器采用DY-3動態(tài)數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)、智能信號處理分析系統(tǒng)。

4.1 自振頻率與阻尼比試驗測試結(jié)果

通過自譜分析獲得橋梁動力性能。

4.1.1 北橋30t跑車試驗

1）20Km/h的時域波形、自譜分析。

2）40Km/h的時域波形、自譜分析。

（2）結(jié)果分析

采用不同激振方式試驗結(jié)果：

在脈動時主要頻率成分為2.483～3.3.422Hz。阻尼比為0.036～0.111。

車載時主要頻率成分在5.8Hz左右；阻尼比為0.0123。

按《橋規(guī)》規(guī)定計算，海陽橋橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率為10.31Hz，實測結(jié)果小于計算值。阻尼比為0.121超出正常范圍（0.01～0.08）之間。橋梁實測頻率低于理論頻率，說明橋梁整體剛度較差。

圖4-1 截取后的脈動時域波形

圖4-2 脈動波形的自譜分析

圖4-3 20公里跑車試驗波形和頻譜

表4-1 NV阻尼計法測得的各測點頻率值和阻尼比

圖4-4 40公里跑車試驗波形和頻譜

表4-2 INV阻尼計法測得的各測點頻率值和阻尼比

圖4-5 應變測量波形

圖4-6 40Km/h跑車時的應變變化波形

4.2 沖擊系數(shù)試驗測量

在動應變、動位移測量中在六個測點中選擇信號較好的測點3（中梁的下端）進行分析。

4.2.1 實測應變波形如圖4-5

計算得到?jīng)_擊系數(shù)為：1.21

動應變測量結(jié)果：橋跨結(jié)構(gòu)汽車荷載沖擊系數(shù)為1.26。

4.3 結(jié)果分析

實測梁板荷載沖擊系數(shù)1+μ=1.17～1.22，橋梁實測基頻為3.54Hz時，汽車荷載沖擊系數(shù)為1.22，橋梁頻率低，橋面整體性能差。

從梁振動頻率、動荷載沖擊系數(shù)和結(jié)構(gòu)阻尼比實測結(jié)果來看，主梁自振頻率均勻差，與《規(guī)范》【2】計算值10.31Hz相比，結(jié)構(gòu)損傷較重，承載力下降。

5.橋跨結(jié)構(gòu)驗算

5.1 正截面抗彎承載力計算匯總

（1）按有翼緣板正截面計算

（2）按翼緣板不參與截面工作計算

5.2 斜截面抗剪承載力計算匯總

5.3 驗算結(jié)果 北橋不滿足汽車-10級荷載要求

6.結(jié)果分析

（1）按《橋規(guī)》[1]驗算，北橋不滿足汽-10荷載要求，極端情況下微彎板混凝土不參與工字梁受力，橋跨結(jié)構(gòu)不能滿足汽-10荷載要求。

（2）主梁支點截面抗剪承載力不能滿足荷載要求，主要原因是原設(shè)計工字梁腹板太小（16cm），已嚴重超出了現(xiàn)在汽車荷載（公路—Ⅱ級）的要求。對橋梁安全危害極為嚴重。

（3）北橋不滿足《橋規(guī)》公路-Ⅱ荷載要求。

（4）公路-Ⅱ荷載是2004年《橋規(guī)》[2]荷載標準，現(xiàn)役的任何橋梁的承載力不得低于公路-Ⅱ荷載要求。因此北橋均不滿足2004年《橋規(guī)》[2]荷載要求，判定為危橋。

表4-3 橋梁汽車荷載沖擊系數(shù)

結(jié)語

橋梁動靜荷載試驗在理論上基本成熟，在實際橋梁的檢測評估中得到了廣泛應用。為新建橋梁和既有橋梁的承載能力評定提供了最有效和最直接的辦法，結(jié)果可靠正確，能夠利用其結(jié)果來判斷橋梁的安全狀況，為橋梁的評價提供依據(jù)。

表5-1 有翼緣板抗彎承載力

表5-2 按翼緣板不參與工作抗彎承載力

表5-3 斜截面抗剪承載力