動靜荷載作用下某橋梁改造工程承載能力探究*

孫彥增 莫善彪 周秀坤 牙彩蓮

北部灣大學(xué) 廣西 欽州 535011

引言

某橋梁改造工程，橋梁上構(gòu)擬采用2跨13m預(yù)應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長26.88m，橋梁總寬8m，其中行車道為6m，人行道兩側(cè)寬度均為1m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用2m×13m跨徑預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁簡支梁橋，下部結(jié)構(gòu)1#橋墩采用單排雙柱式橋墩、樁基礎(chǔ)，0#、2#橋臺樁柱式橋臺、樁基礎(chǔ)，橋梁全長28.94m，橋?qū)?m。通過對該橋進(jìn)行成橋動、靜載試驗，分析車輛對橋梁承載力的影響，判斷目前橋梁承載能力是否滿足公路-Ⅱ級要求。

橋梁箱梁編號按橋梁南向北前進(jìn)方向自左向右進(jìn)行編號，試驗跨為1#孔。

1 靜載試驗

橋梁的靜載試驗即在靜力試驗荷載作用下，通過測量橋梁結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，判定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)性能。它是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際性能，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等最直接有效的辦法[1]。

1.1 靜載試驗內(nèi)容

結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)規(guī)范選取試驗跨：1#孔跨中截面（A-A截面）進(jìn)行測試，該橋行車道為6m寬，正載和偏載加載位置差別不大，因此按正載進(jìn)行加載。

應(yīng)變測點及撓度測點布置：選取0號臺、跨中、1號墩3個截面，按照每片梁截面6個測點布置，在左、右側(cè)面和底面各布設(shè)2個測點，測點中心對稱。

1.2 試驗荷載工況

試驗各工況下所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的某工況下的最不利效應(yīng)值按下式所定原則等效換算而得：

式中：η——靜力試驗荷載效率，對于驗收性荷載試驗，其值應(yīng)大于或等于0.85，且不得大于1.05，對于鑒定性荷載試驗，其值應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05；

Sstate——試驗荷載作用下，某工況最大計算效應(yīng)值；

S ——設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載不計沖擊作用時產(chǎn)生的某試驗工況的最不利計算效應(yīng)值；

μ——設(shè)計計算取用的沖擊系數(shù)。

表1 汽車荷載作用下控制截面內(nèi)力及加載效率（單位：kN·m）

根據(jù)控制截面彎矩影響線并考慮橫向分布進(jìn)行等效布置，正式加載前對試驗跨進(jìn)行了預(yù)加載，正式加載包括工況1（正載），考慮到現(xiàn)場情況及加載車輛情況，分2級加載，包括以下步驟：

預(yù)加載：1#車（總重力478kN）駛?cè)朐囼灅蚩纾吹谝患壖虞d地點停放，檢查測試儀器運行狀況和試驗橋跨狀況，如無異常狀況，然后卸載；第一級加載：1#車駛?cè)朐囼灅蚩鐦?biāo)識的位置；第二級加載：2#車駛?cè)朐囼灅蚩鐦?biāo)識的位置；卸載：2#車（總重力480kN）駛出試驗橋跨， 然后1#車駛出試驗橋跨。

1.3 靜載試驗結(jié)果

1.3.1 應(yīng)變測試。

圖1 1號、2號、3號梁跨中梁底荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)橋梁靜載試驗應(yīng)力（應(yīng)變）測試結(jié)果分析，試驗測試截面測點應(yīng)力（應(yīng)變）實測值比理論值小，在各種工況下各測點應(yīng)力校驗系數(shù)ζ在0.74～0.80之間，卸載后各測點相對殘余應(yīng)變S'P在2.5%～8.1%之間，證明橋梁具有良好的恢復(fù)能力，在試驗荷載工況作用下結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)。根據(jù)橋梁有限元計算及測試結(jié)果綜合分析，橋梁強(qiáng)度滿足設(shè)計要求[2]。

1.3.2 撓度測試。從實驗結(jié)果可得，實測值與理論值規(guī)律基本一致，實測值小于理論計算值，各工況下A-A截面各測點撓度值校驗系數(shù)ζ均在0.77～0.80之間，卸載后各測點相對殘余撓度值S'P在3.2%～5.1%之間。試驗荷載工況下橋梁A-A截面最大撓度值為3.39mm，相應(yīng)的理論計算值為4.24mm，實測最大撓度值遠(yuǎn)小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）規(guī)定的允許設(shè)計值L/600（21.7mm），說明橋梁剛度滿足設(shè)計承載要求。

橋梁在靜荷載作用下，試驗梁各測點變位（撓度、沉降）與應(yīng)變的計算，應(yīng)依據(jù)測量的試驗數(shù)據(jù)扣除支點沉降的影響，計算跨中截面的實際撓度進(jìn)行處理。

考慮支點沉降對跨中截面撓度的影響，試驗數(shù)據(jù)處理時應(yīng)將跨中截面測得的撓度扣除梁兩端支點沉降的數(shù)值[3]，方法如下：

式中：fs——實際撓度值，mm；fz——跨中截面測量測點撓度數(shù)值，mm；fa、fb——梁兩端支點沉降的測量數(shù)值，mm。

各測點變位（撓度、沉降）與應(yīng)變計算。

總應(yīng)變：St=SL-Si；彈性應(yīng)變：Se=SL-Su；殘余應(yīng)變：Sp=St-Se=Su-Si

式中：Si——加載前各點的初始值（初讀數(shù)）；SL——加載達(dá)到穩(wěn)定時的測值（加載值）；Su——卸載達(dá)到穩(wěn)定時的測值（卸載值）。

2 動載試驗

動載的內(nèi)容主要包括：脈動試驗、跑車試驗等

2.1 脈動試驗

通過建立橋梁的空間有限元模型，經(jīng)過有限元計算得到該橋的一階理論振型與頻率，脈動試驗的測試斷面布置在橋跨的L/2位置處，橫向布置在距人行道內(nèi)邊緣10cm處，1個測試斷面1個測點，根據(jù)測量結(jié)果，得到實測一階阻尼比為1.920%。

2.2 跑車試驗

該橋為2跨13m簡支梁橋，根據(jù)當(dāng)前的試驗規(guī)程、橋梁結(jié)構(gòu)的特點和現(xiàn)場實際情況，選取與靜載試驗相同的跨作為試驗跨，取其跨中截面作為控制截面，動力響應(yīng)測試截面和測點的布置，其中L為計算跨徑，車輛激勵試驗加載車見表2，整個動載試驗的工況分別為：簡支梁橋5km/h勻速跑車工況、10km/h勻速跑車工況、20km/h勻速跑車工況、15km/h剎車試驗工況、20km/h跳車試驗工況[4]。

表2 試驗用車車牌號、軸間距及軸重力表

實驗結(jié)果顯示，5km/h、10km/h、20km/h動應(yīng)變測點應(yīng)變分別為12.0με、12.8με、23.2με，是以20km/h行駛時產(chǎn)生的，從數(shù)據(jù)可以看出振動響應(yīng)隨時速增大而增大，車速對振動響應(yīng)有一定影響[5]。

2.3 沖擊系數(shù)

5km/h、10km/h、20km/h沖擊系數(shù)分別為0.182、0.195、0.208，沖擊系數(shù)的最大值為0.208，小于按照規(guī)范要求計算得到的沖擊系數(shù)理論值0.433，說明橋梁的行車平順性較好。

3 結(jié)束語

3.1 靜載試驗部分

3.1.1 橋梁采用重車進(jìn)行靜載試驗，試驗荷載按公路-Ⅱ級荷載等級進(jìn)行加載試驗，加載效率滿足0.85～1.05的要求。

3.1.2 在各試驗荷載工況下引起橋梁各不利截面應(yīng)力分布合理，與有限元計算規(guī)律基本一致，各測試截面各測點應(yīng)變（力）實測值均小于理論計算值，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.74～0.80之間，應(yīng)變相對殘余均小于20%；說明橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載下工作性能較好，具有良好的恢復(fù)能力，承載能力略有安全儲備，在各試驗荷載工況作用下結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)。

3.1.3 實測撓度值及理論計算撓度值對比結(jié)果表明，橋梁試驗測試截面各撓度測點實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)在0.77～0.80之間，撓度相對殘余均小于20%，說明橋梁剛度滿足公路-Ⅱ級荷載承載力要求。

3.1.4 在靜載試驗之前、靜載試驗過程中以及靜載試驗之后，在橋梁上都沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

3.2 動載試驗部分

3.2.1 該橋一階自振頻率實測值14.50Hz，大于理論自振頻率計算值12.68Hz，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 不同車速下的跑車試驗，橋面實測沖擊系數(shù)最大值：0.208，小于按現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）計算得到的沖擊系數(shù)理論值0.433，說明橋梁的行車平順性較好。

3.2.3 在不同速度勻速跑車作用下，各測點的沖擊系數(shù)相對較為穩(wěn)定，剎車和跳車增幅較大，說明保持橋面平整通暢對于減小沖擊荷載很重要。