基于荷載試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋承載能力分析

郭艷明 江浩 劉亞非 徐小劍

摘要：新建橋梁和進(jìn)行了加固或改建后的橋梁，可通過荷載試驗(yàn)來檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求。文中以衢州某新建預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋?yàn)槔榻B了該橋竣工前荷載試驗(yàn)的方案及過程，將實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果加以對(duì)比分析，對(duì)橋梁的實(shí)際承載能力作出評(píng)價(jià)，為類似項(xiàng)目交竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)。

Abstract： New bridges and reinforced or reconstructed bridges can be tested by load tests to see whether the use state and carrying capacity of bridge structures meet the design requirements. Taking a newly-built prestressed concrete T-beam bridge in Quzhou as an example， this paper introduces the scheme and process of load test before completion of the bridge， compares and analyzes the actual test data with the theoretical calculation results， evaluates the actual bearing capacity of the bridge， and provides technical basis for the acceptance of similar projects.

關(guān)鍵詞： 橋梁;荷載試驗(yàn);預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋;承載能力

Key words： bridge;load test;pre-stressed concrete T-shaped beam bridge;the bearing capacity

中圖分類號(hào)：U446.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0146-05

0? 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸事業(yè)迎來了輝煌燦爛的發(fā)展時(shí)期。由于早期公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，且長期缺乏必要的養(yǎng)護(hù)維修，加上交通量快速增長，許多橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害，需要加固或者改建才能提高其承載能力。精確有效地評(píng)估加固或改建后的橋梁承載能力顯得尤為重要。橋梁荷載試驗(yàn)就是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求的有效辦法[1]。橋梁荷載試驗(yàn)利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動(dòng)從而測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)[2]，直接測(cè)得橋梁的結(jié)構(gòu)特性，并對(duì)橋梁的承載力進(jìn)行有效評(píng)估。本文以衢州某改建預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋?yàn)槔ㄔ摌驗(yàn)楸镜貐^(qū)首例上部結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力混凝土空心板改為預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁的大橋），對(duì)改建后的橋梁進(jìn)行交竣工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，為同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收積累經(jīng)驗(yàn)。

1? 工程背景及橋梁計(jì)算模型

衢州某大橋右幅改造前上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，跨徑組合為19×20m。因橋梁上部結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)有交通運(yùn)行要求，故對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并利用老橋墩臺(tái)。橋梁改造完成后上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁，重力式墩臺(tái)身，擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁全長399m，跨徑組合為：4×20m+4×20m+4×20m+4×20m+3×20m，橋面鋪裝采用瀝青混凝土，橋面寬度布置：0.5m（護(hù)欄）+10.0m（行車道）+1.25m（護(hù)欄）（如圖1所示）。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。設(shè)置盆式橡膠支座和D80伸縮縫。

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Midas/Civil橋梁計(jì)算軟件運(yùn)用梁格法建立分析模型（如圖2所示），全橋共820個(gè)梁?jiǎn)卧?052個(gè)節(jié)點(diǎn)，混凝土標(biāo)號(hào)為C50，泊松比取0.2，容重是25kN/m3，采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa，普通鋼筋采用HPB300光圓鋼筋和HRB400帶肋鋼筋;梁端部采用簡(jiǎn)支約束;計(jì)算橋梁自振頻率時(shí)護(hù)欄以及橋面鋪裝等均以均布荷載的形式施加等。

2? 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)應(yīng)按照橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則來確定試驗(yàn)工況及測(cè)試截面。按照設(shè)計(jì)的荷載等級(jí)對(duì)橋梁進(jìn)行加載，測(cè)試選定測(cè)試跨的跨中應(yīng)變、撓度，檢查加載過程中有無裂縫發(fā)生與擴(kuò)展情況，檢測(cè)卸載后的殘余應(yīng)變、殘余撓度以及裂縫寬度情況。

2.1測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)以及抽查頻率不低于總跨徑的10%[3]隨機(jī)選取。試驗(yàn)選取該橋第2、3跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)。分別選取第2跨1#墩頂負(fù)彎矩截面（Ⅰ截面）、L/4正彎矩截面（Ⅱ截面）、L/2正彎矩截面（Ⅲ截面），以及第3跨L/2截面（Ⅳ截面）[1]作為測(cè)試截面（如圖3所示）。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱向布置在測(cè)試跨跨中截面，全橋共計(jì)13+13×3=52個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn);單跨位移測(cè)點(diǎn)布置在測(cè)試跨跨中、1/4跨、支點(diǎn)截面，共計(jì)12個(gè)位移測(cè)點(diǎn)（如圖4所示）。

2.2 加載車輛工況布置

目的最不利效應(yīng)值進(jìn)行等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載、加載車輛和輪位。由于受客觀條件所限，采用的試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)荷載有差別，為保證試驗(yàn)效果，采用靜載試驗(yàn)效率系數(shù)進(jìn)行控制。考慮到加載的方便，試驗(yàn)時(shí)要求采用統(tǒng)一型號(hào)的車輛，共計(jì)加載車輛4輛。加載車輛總重為40t，前軸共重8t，后二軸各重16t，橫向輪距1.8m（見表1）。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，車隊(duì)縱向、橫向位置按照?qǐng)D5進(jìn)行布設(shè)。

2.3 荷載效率

為保證試驗(yàn)效果，對(duì)于某種特定荷載工況，試驗(yàn)荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗(yàn)效率系數(shù)進(jìn)行控制，對(duì)于交竣工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，一般控制在0.85～1.05之間[1]。公路-Ⅰ級(jí)靜載試驗(yàn)效率系數(shù)為該跨在荷載作用下單板最大彎矩梁試驗(yàn)效率系數(shù)，主跨偏載以2-2#、3-2#梁彎矩，中載以2-3#、3-3#梁彎矩為控制值。各荷載工況下靜載試驗(yàn)效率系數(shù)如表2所示，從中可見，各工況下靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)均在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求，橋梁的承載力可以得到充分體現(xiàn)，且不至于對(duì)其結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

工況二加載時(shí)采用分級(jí)加載，四輛車輛分別陸續(xù)加載。從應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（見表3）看測(cè)試截面應(yīng)變校核系數(shù)均小于1，位于0.37～0.77間，表明結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)滿足規(guī)范要求，并有一定的富余;各測(cè)試截面的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。從圖6可以看出該橋橫向分布與理論值接近，橫向聯(lián)接強(qiáng)度情況良好。從圖7可以看出，在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。

從表4撓度測(cè)試結(jié)果看，測(cè)試截面撓度校核系數(shù)均小于1，位于0.35～0.70間，表明結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)滿足規(guī)范要求，并有一定的富余;各測(cè)試截面的相對(duì)殘余撓度均小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。試驗(yàn)跨在整個(gè)試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)既有裂縫明顯開展。

3? 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是對(duì)橋梁施加激振力而使橋梁發(fā)生振動(dòng)，測(cè)得相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，分析橋梁的動(dòng)力特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本次動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)量橋梁在車輛荷載作用下的動(dòng)應(yīng)變，從而得到橋梁的荷載沖擊系數(shù)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選擇測(cè)試跨跨中底面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)作為動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每跨設(shè)置5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。測(cè)試橋梁的自振特性參數(shù)，包括自振頻率、阻尼比等，因連續(xù)梁橋?yàn)檠貥驒M向?yàn)閷?duì)稱、反對(duì)稱振動(dòng)，故在橋面單側(cè)布置1列速度傳感器，將每跨分為8等分，橋墩不布置傳感器。（圖8）

3.1 橋梁自振特性測(cè)試結(jié)果及分析

用Midas/Civil建模分析，對(duì)整橋模型進(jìn)行動(dòng)力頻譜分析得到橋梁前3階理論振動(dòng)頻率及豎向1階振型。在第3、4跨L/8截面、L/4截面、3L/8截面、L/2截面、5L/8截面、3L/4截面、7L/8截面分別設(shè)置豎直速度傳感器。（表5、圖9、圖10）

從試驗(yàn)結(jié)果來看，脈動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)頻率為7.32Hz，沖擊試驗(yàn)實(shí)測(cè)頻率為6.67Hz，均大于理論計(jì)算頻率。橋梁主跨及邊跨各階實(shí)測(cè)頻率值均大于理論計(jì)算值，且實(shí)測(cè)豎向振型與計(jì)算振型相符，說明該橋剛度滿足要求，整體動(dòng)力性能滿足要求。

3.2 沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

沖擊系數(shù)是確定車軸荷載對(duì)橋梁動(dòng)力作用的重要技術(shù)參數(shù)，沖擊系數(shù)的大小綜合反映了橋面平整度、運(yùn)行車輛的動(dòng)力性能、車速等因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)橋梁做跑車試驗(yàn)，在橋面無任何障礙的情況下，采用1部載重汽車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h的速度按指定線路通過橋面，測(cè)試各工況橋面的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)及不同車速下的沖擊系數(shù)。

從測(cè)試結(jié)果（圖11）來看，隨著車速的增大，沖擊系數(shù)逐漸增大，動(dòng)力反應(yīng)逐漸明顯。由表6可知，在正常行車情況下，車輛對(duì)橋梁的沖擊系數(shù)最大值為μ=0.14，小于規(guī)范[4]規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算取值：μ=0.32，說明該橋整體行車動(dòng)力性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)論

該文通過橋梁荷載試驗(yàn)和Midas/Civil軟件分析計(jì)算，將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果加以對(duì)比分析，對(duì)整座橋的承載能力做出評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

①測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、撓度測(cè)點(diǎn)校核系數(shù)均滿足《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》要求，且結(jié)構(gòu)具有一定的富余量;且應(yīng)變、撓度相對(duì)殘余均小于20%。說明該橋能夠滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載等級(jí)要求，且處于彈性工作狀態(tài)。

②橋梁主跨及邊跨豎向?qū)崪y(cè)一階頻率值均較理論值計(jì)算基頻高，說明實(shí)測(cè)結(jié)果反映的橋梁豎向剛度大于計(jì)算結(jié)構(gòu)反映的豎向剛度，分析認(rèn)為該橋?qū)嶋H豎向整體剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在正常行車情況下，該橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)計(jì)算取值，說明該橋整體行車動(dòng)力性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

③利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動(dòng)從而測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)，直接測(cè)得橋梁的結(jié)構(gòu)特性，并對(duì)橋梁的承載力進(jìn)行有效評(píng)估，為本地區(qū)同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收積累經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTG/T J21-01-2015，公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016，2.

[2]肖勇剛，胡麗湘.基于荷載試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力空心板橋承載能力分析[J].公路與汽運(yùn)，2014（01）.

[3]浙江省交通運(yùn)輸廳.浙江省公路工程竣（交）工驗(yàn)收實(shí)施細(xì)則（試行）.2013.

[4]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015，9.