基于靜動載試驗的連續(xù)箱梁橋承載能力評估

黃豪 張益雄 旦唐燕

本研究將福建一座連續(xù)箱梁橋作為研究對象，利用有限元方法對橋梁進行建模分析，對已建成的橋梁跨度結構進行表面觀測以及荷載測試，遵循相應的規(guī)程和規(guī)則，來對橋梁的負載性能進行量化評估。這項研究將對橋梁實際狀態(tài)和運行情況進行核實，并能為其未來的維護和評估提供初級數(shù)據(jù)，以供制定正確的使用和維護策略。

一、工程概況

主橋跨布局由（85+155+85）米的預應力混凝土連續(xù)剛構組成，上部構造特點是單箱單室變斷面連續(xù)剛構箱梁，梁寬12.25 米，箱寬6.0 米，箱梁頂板為2%的單向橫坡，采用掛籃懸臂澆筑施工。主跨橋墩為5.0 米×6.0 米的鋼筋混凝土薄壁空心墩，設計荷載：汽超-20，掛-120。

二、有限元模型

依照橋梁的結構特色及設計荷載級別，建立了有限元模型（如圖1 所示）進行荷載計算，對荷載控制截面進行靜載試驗，并測定荷載條件下的應變和撓度變化。

圖1 大橋的有限元模型

三、試驗項目

1.靜載試驗

根據(jù)構造受力特性，運行靜載試驗，以測定試驗荷載作用下橋梁主跨受力控制截面的應變和撓度變動情況。

依據(jù)跨度結構的受力特性定義了七個試驗工況。

工況1～工況3：針對最大正彎矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）進行加載（工況1 中載，工況2 左側偏載，工況3右側偏載），并測量得出撓度和應變；

工況4：檢驗支座截面（Ⅱ-Ⅱ截面）最大負彎矩加載（中載），測試截面的應變；

工況5～工況7：檢驗中跨中截面（Ⅲ-Ⅲ截面）最大正彎矩加載（工況5 中載，工況6 左側偏載，工況7 右側偏載），測試截面的撓度和應變。

靜載試驗的主要測試截面如圖2 所示。

圖2 測試截面

2.自振特性和無障礙行車試驗

（1）自振特性試驗

沒有交通荷載和無規(guī)律振動源的情況下測定由于風荷載、地脈動等隨機荷載激發(fā)的微小振動反應，以測定自振頻率和阻尼比，分析橋跨結構的自振特性。

（2）無障礙行車試驗

分別以20km/h、30km/h 和40km/h 的車速，使用載重汽車經(jīng)過橋跨結構，測驗動撓度和沖擊因素在行車荷載作用下的變化。

四、試驗結果分析

1.靜載試驗結果

（1）靜載試驗荷載的試驗效率

依據(jù)該連續(xù)箱梁橋的建設設計藍圖，試驗項目的最不利效應值由設計標準活載造成，并等效替換以確認試驗所需負荷、裝載車輛以及輪位，詳細信息參見表1。對于工況1、工況2 和工況3，邊跨產(chǎn)生最大正彎矩處的設計活載導致的最不利內力值為20433kN·m，而試驗載荷引發(fā)的最大內力值近似為19748kN·m，靜載試驗效率約為0.97。在工況4 情況下，支座產(chǎn)生最大負彎矩，由設計活載造成的最大不利內力值為-87279kN·m，相對應的試驗載荷導致的最大內力值近似為-81444kN·m，靜載試驗效率約為0.93。當處于工況5、工況6 以及工況7 的時候，跨中產(chǎn)生的最大正彎矩，由設計活載引發(fā)的最不利內力值為20942kN·m，試驗載荷所導致的最大內力值近似為19528kN·m，這時靜載試驗效率約為0.93。

表1 主要控制截面橋面撓度分析表

（2）撓度測試結果與分析

邊跨最大正彎矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）在工況1 和中載加載項目中左側橋面擾度值為8.27mm，右側橋面擾度值為7.82mm，實測平均值為8.05mm。邊跨最大正彎矩截面在工況2 和左偏載加載項目中左側橋面擾度值為7.81mm，右側橋面擾度值為8.05mm，實測平均值為7.93mm。邊跨最大正彎矩截面在工況3 和右偏載加載項目中左側橋面擾度值為8.27mm，右側橋面擾度值為7.36mm，實測平均值為7.81mm。

跨中截面（即Ⅲ-Ⅲ截面）工況5 和中載加載項目中左側橋面擾度值為19.00mm，右側橋面擾度值為19.70mm，實測平均值為19.35mm。跨中截面工況6和左偏載加載項目中左側橋面擾度值為19.80mm，右側橋面擾度值為18.30mm，實測平均值為19.05mm。跨中截面工況7 和右偏載加載項目中左側橋面擾度值為18.40mm，右側橋面擾度值為19.60mm，實測平均值為19.00mm。

主要控制截面橋面擾度分析標如表1 所示。

依照目前數(shù)據(jù)分析，邊跨最大正彎矩處橋面撓度的校驗系數(shù)介于0.72～0.74 之間，中跨撓度校驗系數(shù)在0.85～0.86 之間，這些數(shù)值均在《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》（1982 年10 月）中設定的常規(guī)范圍（0.7～1.05）內，而相對的殘余撓度遠低于該規(guī)范規(guī)定的20%。

（3）應變測試結果與分析

邊跨最大正彎矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）在工況1 中加載中載情況下應變測點1 至5 測點實測值為58、58、49、44、58，平均為值為53。在工況2 中加載左偏載情況下應變測點1 至5 測點實測值為55、55、60、56、56，平均為值為56。在工況3 中加載右偏載情況下應變測點1 至5 測點實測值為54、51、58、50、59，平均為值為54。

跨中截面（即Ⅲ-Ⅲ截面）在工況5 中加載中載情況下應變測點12 至16 測點實測值為46、50、56、58、56，平均為值為53。在工況6 中加載左偏載情況下應變測點12 至16 測點實測值為46、56、51、53、56，平均為值為52。在工況7 中加載右偏載情況下應變測點12 至16 測點實測值為48、46、54、54、49，平均為值為50。

支座最大負彎矩截面（Ⅱ-Ⅱ截面）在工況4 中加載中載在測點30、29、28 測點實測值為22、26、28，平均值為25。

控制截面應變實測值及其理論計算值比較如表2所示。從表格結果可以看出，邊跨最大正彎矩截面的應變校驗系數(shù)在0.92～0.97 之間，中跨截面的應變校驗系數(shù)則在0.71～0.75 之間，支點最大負彎矩處的應變校驗系數(shù)為0.72，這些數(shù)據(jù)都在《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》（1982 年10 月）規(guī)定的常規(guī)范圍（0.7～1.05）中，而相對的殘余應變遠低于規(guī)定的20%。

表2 控制截面應變實測值及其理論計算值比較表

2.自振特性試驗結果

試驗結果與分析：

對實測的信號進行分析，得到大橋的1～4 階自振頻率計算值與實測參數(shù)對比如表3 所示。

表3 船嶺崠特大橋自振頻率(Hz)

3.無障礙行車試驗結果

本研究進行了無障礙行車試驗，行車速度固定在20km/h 和30km/h，實測沖擊系數(shù)為1.049、1.041 和1.031，經(jīng)過轉換，標準車隊的沖擊系數(shù)為1.023、1.019以及1.015，這些數(shù)據(jù)都在1.05 的容許范圍內。

五、鑒定意見

通過對本大橋靜動載試驗結果以及各項控制指標進行分析，可以得出大橋橋跨結構滿足汽超-20 級、掛-120 級設計荷載等級要求。靜載試驗中，撓度校驗系數(shù)處于規(guī)定的常值范圍內，相對殘余撓度也小于規(guī)定值，表明橋跨結構始終處于良好的彈性工作狀態(tài)，結構整體性較好；同時大橋的控制截面的應變校驗系數(shù)和相對殘余應變符合規(guī)范評定要求。自振特性試驗表明，該橋自振頻率的計算值與實測值基本吻合，說明所建的有限元模型準確可行；無障礙行車試驗表明，實測得出的沖擊系數(shù)在容許的范圍內。