基于靜動載試驗的鋼板組合梁橋承載能力評定研究

沈 達 （安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

隨著我國交通運輸行業的快速發展，對橋梁建設的需求也日益突出。為了提升橋梁的建造水平及速度，采用標準化、裝配式的建造理念已經成為當前橋梁建設的一個趨勢，通過工廠標準化預制和現場安裝的建造模式，不僅能夠提高橋梁的建設速度，同時有利于確保橋梁的施工質量。鋼板組合梁橋作為新型橋梁結構之一，目前在我國橋梁建設領域得到廣泛的推廣和應用。這類橋梁結構通過混凝土橋面板將荷載傳遞給下部鋼主梁，由鋼梁承受荷載引起的內力及變形[1-4]。盡管對這類橋梁結構的受力模式及理論研究已經取得了許多研究成果，但對該類型橋梁結構實際運營狀態的研究相對較少，因此，為了探究該類型橋梁結構在成橋狀態下的受力性能，需要對橋梁結構進行荷載試驗研究[5-7]。

荷載試驗方法是橋梁結構承載能力評定最常用的方法之一，該方法通過對試驗荷載作用下橋梁響應數據進行測試，并通過與理論計算值進行對比，驗證橋梁結構的承載能力。其中，靜載作用下主要測試的橋梁參數包括關鍵受力截面的應變及撓度，動載試驗主要通過獲得橋梁結構的模態參數及沖擊系數，檢驗橋梁結構的動力參數是否滿足運營要求。例如，胡銀鵬[8]通過成橋荷載試驗，對某大跨徑混凝土斜拉橋的承載能力進行評定，結果表明利用荷載試驗方法能夠直觀、可靠地實現橋梁結構的承載能力評定。王寶梁等[9]采用荷載試驗方法對某老化橋梁的承載能力進行檢測與評定，該研究通過有限元分析與現場試驗相結合的手段，實現對該橋梁承載能力的評定，并為后續橋梁的養護維修提供重要參考依據。王文強[10]結合荷載試驗數據，通過利用三類校驗系數對某鋼混組合梁斜拉橋的承載能力進行評定，結果表明該方法能夠直觀地對橋梁實際承載能力進行量化。

為了探究該類型橋梁結構在成橋狀態下的受力性能，本文以G40 高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁橋為工程背景，開展鋼板組合梁橋的荷載試驗，探明此類型橋梁結構在試驗荷載作用下的真實校驗系數及沖擊系數，為鋼板組合梁橋的安全運營及承載能力評定提供重要參考。

1 工程概況

G40 高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁橋上部結構跨徑布置為2m×30m 和4m×30m 兩種布置方式，橋梁下部采用鋼管樁基礎。主橋設計時速為60km/h，橋面橫向采用雙向四車道布置方式，荷載設計等級為公路I級。在橋梁上部結構設計過程中，其主梁下部的鋼梁采用工字形斷面形式，梁高為2010mm，分別由上翼緣板、下翼緣及腹板焊接成整體，上、下翼緣的跨度分別為700mm 和850mm。鋼梁的豎向加勁肋與梁體腹板等高，主跨沿縱橋向每隔8m分別設置一道下橫梁，小橫梁在支點處進行加密布置，橫向間距縮小為3m一道，小橫梁的梁高設置為800mm。橋面總體寬度為19.50m，承托板及懸臂板厚度分別為0.40m 及0.22m。橋面板采用混凝土構造，橋面板跨中板厚設置為0.25m，面板濕接縫區域采用鋼筋環形搭接。依據設計資料，主橋下部結構采用鋼管樁基礎，鋼管樁橫向設置四排，鋼管樁孔徑為1200mm，管樁橫向布置兩排，管樁鋼材采用Q235D 材質，樁體壁厚為14mm。鋼管樁頂設置縱橫向分配梁，上部設置縱橫向連接系。

2 試驗對象和內容

目前與橋梁荷載試驗相關的檢測規范主要為2015 年交通部發布的《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)，以及2011 年發布的《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)。上述規范對基于橋梁荷載試驗的橋梁結構承載能力評定進行了一系列規定。并針對具體的荷載試驗，又規定了靜、動載試驗需要進行的內容及試驗步驟。本文對G40高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁進行靜動載試驗，其主要目的是通過荷載試驗獲得橋梁在試驗荷載作用下的校驗系數及動力參數等，通過獲得的這些數據及評定結果，為橋梁后期的養護、維修加固提供數據支撐。

一般而言，對鋼板組合梁結構進行荷載試驗通常包括靜載試驗和動力測試兩個方面。其中，靜載試驗就是通過對目標橋梁進行額定試驗荷載加載，獲得橋梁關鍵截面在試驗荷載作用下的變形及應力檢測數據，并通過與理論模型結果進行對比，獲得目標結構在試驗荷載作用下的校驗系數等，通過獲得的這些校驗系數，判定橋梁的承載能力是否滿足要求。

動力測試又稱動載試驗，其與靜載試驗不同之處在于其主要測試橋梁的動力特性，測試手段主要包含模態測試、跑車、跳車以及剎車測試。其中，模態測試的目的是為了獲得橋梁的整體模態參數，包括頻率、振型以及阻尼比等參數，另外跑車、剎車試驗主要目的是為了測試橋梁的沖擊系數，并通過獲得的這些參數，檢驗橋梁結構的運營狀態與理論狀態的區別，從而對橋梁的真實運營狀態進行識別。

3 靜載試驗

在對G40高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁橋進行荷載試驗之前，應首先對該橋梁關鍵受力部位的外觀缺陷進行識別，如鋼梁表面是否出現裂紋、掉漆、以及銹蝕等現象，同時觀測混凝土橋面板是否出現破損、裂縫等。其次觀測橋面板伸縮縫處是否有開裂、破損、露筋等缺陷。最后對橋跨支座進行觀測，確保荷載試驗前橋梁的安裝質量滿足設計要求。上述檢測工作完畢后，方可對橋梁結構進行荷載試驗。

3.1 靜載試驗工況選擇

依據G40高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁橋的設計資料，本研究利用MIDAS 軟件建立該鋼板組合梁橋的空間有限元模型，建立的模型如圖1 所示。其中主橋的鋼梁部分采用空間梁單元進行模擬，橋面板采用板單元進行模擬，鋼梁與橋面板采用剛接方式進行連接。依據橋梁的設計荷載等級，利用MIDAS 軟件中的移動荷載模塊，定義橋面的車道荷載，車道橫向采用四車道布置方式。待有限元模型建立完畢后，通過執行靜力分析，獲得主橋在設計荷載作用下的彎矩包絡線，如圖2 所示。通過彎矩分布，分別確定主橋的測試截面，結合荷載試驗規范，選取的測試截面沿橋梁縱向如圖3 所示，全橋共選取三個測試截面，分別為I-I、II-II 以及III-III，其中，I-I、II-II分別為鋼板組合梁橋兩跨跨中測試截面，III-III 截面為支座處截面，全橋共進行四個測試工況，測試工況詳細信息如表1所示。

表1 試驗加載工況選擇

圖1 橋梁有限元模型立面

圖2 設計荷載作用下的主橋彎矩包絡圖

圖3 測試斷面布置示意圖（單位：cm）

3.2 測點布置及測試方法

結合鋼板組合梁橋的結構特點，橋梁靜載試驗的應變主要采用DH3819 無線靜態采集系統測試，橋梁變形主要通過精密水準儀進行測試。其中，測試截面的測點布置分別如圖4 所示。由圖4可知，對于跨中測試截面，每個截面布置12 個應變測點，橋面橫橋向共布置3 個變形測點。另外，對于支座截面，鋼主梁布置12 個應變測點，橋面橫橋向共布置3個變形測點。

圖4 I-I、II-II截面測點布置(單位：mm)

3.3 試驗工況及荷載分級

本次鋼板組合梁荷載試驗采用分級加載方式進行，試驗過程中根據分級加載的測試數據對橋梁荷載試驗進行控制。依據橋梁的試驗荷載大小及布載的方式，本次荷載試驗共分為四級加載，每一級加載一輛試驗車。另外，試驗荷載的加載說明分為五點。第一，將試驗用車輛荷載緩慢駛入預定加載位置，在車輛行駛過程中，對各測點讀數進行觀測，確保試驗安全。第二，在分級加載時，應時刻關注截面應力及變形的變化與試驗荷載的關系，同時要保證各測試截面的最大內力不超過測試截面在最不利荷載作用下的內力。第三，在同一級荷載內，荷載施加完成后，要等5 分鐘之后開始讀數，確保讀數能夠穩定，或者當測試結果變動小于量測儀器分辨率時，則可認為測試結果達到相對穩定。但當進行主要控制截面最大內力加載程序時，加卸載穩定時間應不少于15 分鐘。第四，本橋試驗荷載逐級加載達最大荷載后一次卸載。第五，試驗加載過程中，應在氣溫相對穩定期間進行，通常選擇晚上或清晨進行荷載試驗，基于本地區的溫度變換，本文所進行的荷載試驗選擇在晚間進行。

本次荷載試驗中，試驗荷載的中載及偏載布置圖如圖5 所示，其中每個測試工況各使用4 輛35t 的試驗車進行加載，每一級工況加載1輛車。

圖5 加載車輛立面布置圖

3.4 靜載試驗結果與評定

通過該鋼板組合梁橋進行靜載試驗，獲得該橋梁在靜載作用下的變形及應變測試結果，通過與有限元分析結果進行對比，得到如下結論，在中載工況作用下，主橋兩跨跨中的最大變形校驗系數約為0.80，最大相對殘余變形為10.33%，均滿足規范要求規定的校驗系數小于1，殘余變形小于20%的規定。另外，獲得的三個關鍵測試截面的最大應變校驗系數為0.77，最大相對殘余應變為16.11%，均滿足規范需求。同理，在偏載工況作用下，主橋兩跨跨中的最大變形校驗系數約為0.94，最大相對殘余變形為15.32%，均滿足規范要求規定的校驗系數小于1，殘余變形小于20%的規定。另外，獲得的三個關鍵測試截面的最大應變校驗系數為0.78，最大相對殘余應變為18.98%，均滿足規范需求，說明該鋼板組合梁橋在設計荷載作用下處于彈性工作階段，但體系的安全富余則相對較低，尤其是偏載作用下，鋼梁的最大變形校驗系數達到了0.94，已經接近于1.0。

4 動載試驗

針對該鋼板組合梁橋的結構特點及規范要求，本次動力測試內容主要包括模態測試、跑車和剎車工況。其中，模態測試工況的目的是為了獲得橋梁的豎向自振頻率和振型等結構整體動力參數，通過跑車試驗能夠測試橋梁的動力沖擊系數，剎車試驗的目的是進一步測試在剎車工況下的橋梁沖擊系數，同時利用剎車工況下的自由衰減振動可以進一步識別橋梁的阻尼比參數。

4.1 測點布置

為了能夠準確的測試鋼板組合梁結構的動力參數，結合橋梁振型特點，傳感器主要布置在鋼板組合梁橋的每跨L/4截面、L/2 截面和3L/4 截面，每跨各布置3 個豎向傳感器，共計6 個豎向傳感器。另外，動態應變測點布置在各跨跨中位置。

4.2 動載試驗結果分析與評定

模態測試采取在無車環境下進行測試，采用自然激勵獲取6 個動力傳感器的振動信號，采樣頻率設置為200Hz，并持續采集10 分鐘。然后將獲得的6 個通道的信號輸入到測試系統中，據信號的自功率譜、互譜以及相干函數識別主體結構豎向振動的低階模態參數，具體振型如圖6、圖7所示。其中測試的主橋一階豎向振型如圖6 所示，在該工況下的自振頻率為4.00Hz，阻尼比約為2.15%。另外，主橋二階豎向振型如圖7所示，在該工況下的自振頻率為4.88Hz，阻尼比約為2.72%。然后基于有限元分析，獲得該鋼板組合梁橋的理論模態測試結果，與測試結果的對比如表2所示。由表2可知，大橋試驗跨的前二階實測頻率均大于理論頻率，說明橋梁結構各部件整體性能和技術狀況較好。

表2 實測值與理論值對比結果

圖6 主橋一階豎向振型

圖7 主橋一階豎向振型

動力響應測試。沖擊系數是鋼板組合梁橋的一個重要動力參數，其反映了橋梁對移動荷載的放大程度，通常可以用最大動響應與靜響應的比值進行表示。本次跑車試驗擬采用35t 的加載車一輛，分別進行20km/h 和40km/h 的跑車及剎車試驗，并獲得大橋跨中在車輛荷載作用下的動應變測試結果。實測沖擊系數與理論值的對比結果如表3 所示。由表3 可以清楚看到，四類工況下獲得的大橋沖擊系數均低于理論值0.208，說明該鋼板組合梁橋試驗跨具有較好的行車舒適性。

表3 實測沖擊系數與理論值對比

5 結論

本文以G40高速公路越引江濟淮工程某鋼板組合梁橋為工程背景，開展鋼板組合梁橋的荷載試驗，探明此類型橋梁結構在試驗荷載作用下的真實校驗系數及沖擊系數，并通過相關數據分析及試驗現象得出以下結論。

①中載工況作用下最大變形校驗系數為0.80，最大應變校驗系數為0.77，均不大于1，滿足規范要求。最大相對殘余變形為10.33%，最大相對殘余應變為16.11%，均不大于20%，說明橋梁處于彈性工作狀態。

②偏載工況作用下最大變形校驗系數為0.94，最大應變校驗系數為0.78，均不大于1，滿足規范要求。最大相對殘余變形為16.99%，最大相對殘余應變為18.98%，均不大于20%，說明橋梁處于彈性工作狀態。

③實測頻率均大于理論頻率，說明橋梁具有良好的動力性能。通過跑車試驗和剎車試驗，所得到的平均沖擊系數均小于理論值，說明橋梁實際動力效應小于理論值，行車舒適度較好。

④通過靜動載試驗分析結果表明，該鋼板組合梁橋的承載能力滿足公路I級荷載需求。