帶掛梁的V型墩剛構橋原位荷載試驗

楊勇，趙新生，蔡卡宏

（廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

V型墩（又稱作Y型墩）剛構橋是將橋墩的上部墩柱做成V形狀的剛構橋，具有普通剛構橋及斜腿剛構橋的受力特性，這種橋型與相同跨徑的梁式橋相比，縮短了計算跨徑，降低了梁高，且結構輕巧、造型美觀。近年來在我國橋梁工程建設中，該類橋型被廣泛采用[1-2]。

本文以某一座V型墩剛構橋的現場原位荷載試驗為例，論述了該類橋梁結構分析計算、加載測試內容及試驗情況等方面內容，并根據實測數據與理論計算結果的對比分析，對橋梁的承載能力及使用性能進行綜合評估，為橋梁管理部門進行科學管養提供依據，也為同類型橋梁的荷載試驗分析提供參考和借鑒。

1 工程概況

某城市橋梁結構型式采用帶懸臂及掛梁的V型墩剛構橋。橋梁總長66 m，主跨為2個帶懸臂的V型墩剛構，剛構長18 m，中間設10 m的掛梁，邊跨為2孔10 m簡支T梁，V型墩剛構及掛梁（T梁）上部結構均由6片主梁組成。橋面總寬10.5 m，其中車行道寬7.5 m（雙向兩車道），兩側人行道各寬1.5 m。下部設6片V型排架墩，墩底為承臺及樁基，主梁及排架墩均由橫系梁加強整體性。該橋于1989年建成通車，迄今已運營了20多年。設計荷載等級為“汽車-20級，人群荷載為3.5 kN/m2”，驗算荷載為“掛車-100”。該橋立面見圖1。

2 結構分析計算

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

根據該橋的橋型特點及結構內力計算結果選取了該橋的0#～1#跨V型墩剛構及中孔掛梁作為原位荷載試驗對象[3-6]，并采用Sap2000程序對帶懸臂及掛梁的V型墩剛構橋跨建立空間梁單元有限元計算模型（見圖2），模型共劃分為1326個空間梁單元和1 172個節點，利用該有限元模型進行結構活載內力、試驗荷載反應及結構的自振特性分析計算。

2.1 靜力活載效應計算

利用動態規劃加載法計算出該橋在設計活載作用下的彎矩控制值。計算結果表明，在設計活載作用下，由驗算活載“掛車-100”控制各跨關鍵截面最大內力，而3#主梁的內力最大，因此該梁的內力作為所有單片主梁的控制內力；其中，V構懸臂跨2L/5截面主梁最大正彎矩為3.06 E+05 N·m，V構中支點截面主梁最大負彎矩為-2.20 E+05 N·m，V構跨L/2截面主梁最大正彎矩為2.46 E+05 N·m，10 m掛梁跨單片主梁L/2截面最大正彎矩為3.68E+05 N·m。其中，帶懸臂的V型墩剛構橋跨單片主梁設計活載彎矩包絡圖如圖3所示。

2.2 自振特性計算

根據該橋的橋型結構特點，基于剛度和質量等效原則建立的空間有限元分析模型進行橋梁自振特性的分析計算，計算結果表明，該橋V型墩剛構橋跨的一階自振基頻為15.17 Hz，對應的振型為反對稱豎彎（見圖4）；掛梁的一階自振基頻為11.51 Hz，對應的振型為正對稱豎彎。

3 靜載試驗

靜載試驗主要根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（試行）、《公路橋梁設計通用規范》、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》等行業標準規范，以及有關的設計竣工資料，根據該橋的結構特點及設計活載效應計算結果，并結合現場試驗條件實施[5-7]。

3.1 加載效率及加載程序

（1）加載效率

橋梁靜載試驗是測試橋梁結構在靜力荷載作用下的內力和變形，其加載位置和加載工況主要根據靜載試驗效率η來確定，根據文獻[5]要求，η取值應在0.80～1.05之間，試驗沖擊系數取值1.0。經詳細的結構計算[3-4]，采用3臺重車（每臺車總重300 kN），按3個工況分6級加載，以使3個控制截面的加載效率達到規范要求。在設計荷載等級汽車-20級、掛車-100及3臺重車試驗荷載作用下，控制截面試驗荷載內力（彎矩）及加載效率見表1。

表1 各控制截面試驗彎矩及加載效率

（2）加載程序

為了獲得結構試驗荷載與變位及應力關系的連續性，并防止結構出現意外損傷，加載方式[6-7]為逐級遞加到最大荷載，然后逐次卸載到零級荷載。加載位置與加載工況確定的主要方式是：采用荷載等效的原則布置試驗加載車輛，在滿足試驗荷載效率達到相關規范要求的前提下，對加載工況進行適當優化，每一加載工況以某一檢驗項目為主，部分加載工況可同時兼顧其它檢驗項目，并應校驗其它非檢驗項目（或截面）內力不超過設計內力。

3.2 測試內容及量測方案

試驗內容包括梁體撓度測試和應力（應變）測試兩個方面，撓度測試截面選取試驗橋跨的L/2、L/4及支點等關鍵截面；應力測試截面選取V構懸臂跨2L/5截面、V構跨L/2及掛梁L/2截面等3個截面（圖1中A、B、C截面），應力測點布設于各測試截面的1#～6#梁底。試驗測試每級加載的撓度、應變及卸載后的殘余撓度及殘余應變。

3.3 靜載試驗結果

（1）撓度測試結果

各加載工況最大的彈性撓度實測值與理論值對比見表2[5-6]。在工況1試驗荷載下，懸臂跨2L/5截面測點的最大彈性撓度實測值為-1.8 mm，對應的理論計算值為-1.9 mm，其校驗系數為0.95；在工況2試驗荷載下，V構跨L/2截面測點的最大彈性撓度實測值為-1.3 mm，對應的理論計算值為-1.3 mm，其校驗系數為1.0；在工況3試驗荷載下，掛梁L/2截面測點的最大彈性撓度實測值為-2.4 mm，對應的理論計算值為-2.3 mm，其校驗系數為1.04；均能滿足文獻[5]中關于混凝土橋梁撓度校驗系數 Se/Sstat的要求 （0.6＜Se/Sstat≤1.1）。各工況實測跨中最大撓度值也均能滿足規范關于文獻[4]梁式橋豎向撓度允許限值L/600的要求。

表2 撓度實測值與計算值比較

（2）應變測試結果

各加載工況最大的彈性應變實測值與理論值對比見表3[5-6]。在工況1試驗荷載下，A截面測點的最大彈性應變實測值為112με，對應的理論計算值為127με，其校驗系數為0.88；在工況2試驗荷載下，B截面測點的最大彈性應變實測值為98με，對應的理論計算值為97με，其校驗系數為1.01；在工況3試驗荷載下，C截面測點的最大彈性應變實測值為164με，對應的理論計算值為159με，其校驗系數為1.03；均能滿足文獻[5]中關于混凝土橋梁應變校驗系數Se/Sstat的要求（0.6＜Se/Sstat≤1.1）。

表3 應變實測值與計算值比較

（3）殘余撓度和應變

試驗結束前對檢測橋跨進行了殘余撓度和殘余應變觀測，按文獻[5]的要求，最大殘余值（SP）與實測值（Stot）的比值應滿足：Sp/Stot≤0.25的要求。從測試數據來看，懸臂跨2L/5截面的最大殘余撓度-0.2 mm、最大殘余應變3με，相應的最大撓度-2.0 mm、最大應變115με，殘余值與相應的最大值的比值分別為0.1和0.03；V構跨L/2截面的最大殘余撓度-0.3 mm、最大殘余應變1με，相應的最大撓度-1.6 mm、最大應變99με，殘余值與相應的最大值的比值分別為0.19和0.01；掛梁L/2截面的最大殘余撓度-0.3 mm、最大殘余應變7με，相應的最大撓度-2.7 mm、最大應變171με，殘余值與相應的最大值的比值分別為0.11和0.04；均能滿足文獻[5]的要求。

4 動載試驗

4.1 動載測試內容

動載試驗主要內容是測試橋梁結構的自振特性、受迫振動特性[6-7]。自振特性測試是在橋梁無荷載作用下所處的自然環境中進行，結構在環境擾動作用下，如自然風、地脈動、機器或車輛引起的擾動等，雖然引起結構振動的振幅極為微小，但脈動響應所包含的頻率成分相當豐富，它不需任何激振設備，又不受結構形式和大小的限制，特別適用于測量結構整體的自振特性，因此自振特性測試采用地脈動為激振源；

受迫振動測試采用跳車或跑車方式為激振源，前者是利用1輛加載重車（約300 kN），在橋面上分別以不同的行駛速度進行跑車；而后者是在跨中位置用加載車的重輪越過高 15cm的楔型體墊木突然下落沖擊橋面的方式進行激勵振動。動載試驗選取試驗橋跨的L/4及L/2等截面設置動測傳感器測點。

4.2 動載測試結果

測試結果表明：該橋V型墩剛構橋跨實測一階振動頻率為15.22 Hz，而對應的理論計算一階自振基頻為15.17 Hz；掛梁孔實測一階振動頻率為11.97 Hz，而對應的理論計算一階自振基頻為11.51 Hz；各試驗橋跨實測一階振動頻率均與對應的理論值基本吻合，表明該橋的實際整體剛度與設計值（理論值）接近。V型墩剛構橋跨實測阻尼比ξ為0.37%～1.70%，掛梁孔實測阻尼比ξ為0.46%～1.92%，均處于正常范圍，表明該橋具有一定的耗散外部能量的能力，從測試過程及行車響應分析，該橋的振動響應及行車性能均較為正常[2,6,7]。V型墩剛構橋跨跨中跳車工況加速度時程曲線及頻譜圖如圖5所示。

圖5 加速度時程曲線及頻譜圖

5 結論

（1）本次靜載試驗的荷載效率在0.86～0.93之間，符合相應試驗檢測規范[5]的要求，表明試驗荷載能有效的體現設計活載效應；在各工況試驗荷載下，各控制截面撓度校驗系數在0.95～1.04之間，應變校驗系數在0.88～1.03之間，滿足文獻[3]的要求，實測最大撓度值也能滿足文獻[4]關于橋梁豎向撓度允許限值的要求，表明該橋的實際剛度及強度與設計值（理論值）相符；各試驗工況實測相對殘余撓度和相對殘余應變均小于0.25，滿足文獻[5]的要求，表明該橋具有良好的彈性恢復能力。

（2）該橋實測頻率與理論分析結果相近，表明該橋的實際整體剛度與設計值（理論值）基本吻合；各試驗橋跨實測阻尼比均處于正常范圍，表明該橋具有一定的耗散外部能量的能力，從測試過程及行車響應分析，該橋的振動響應及行車性能均較為正常。

（3）通過對該帶懸臂及掛梁的V型墩剛構橋進行的上述靜、動荷載試驗分析評估，表明該橋的承載能力和使用性能滿足“汽車—20級、掛車—100及人群3.5 kN/m2”設計活載的要求。

[1]項貽強,胡峰強,朱衛國.V型墩預應力連續剛構橋結構動力分析和試驗研究[J].中國市政工程,2003(1):19-22.

[2]王巍，楊宜謙,姚京川,等.V形墩連續剛構橋動力性能試驗研究[J].鐵道建筑,2010(8):14-17.

[3]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]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:人民交通出版社,1982.

[6]湛潤水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7]張俊平,周建賓.橋梁檢測與維修加固（第2版）[M].北京:人民交通出版社,2011.