T型剛構橋靜動載試驗研究

摘要：為評定某T型剛構橋的實際承載能力，檢驗橋梁施工質(zhì)量，本文采用有限元方法進行結構計算，設計了加載方案，并通過現(xiàn)場靜、動載試驗的方式，利用加載車輛作用激發(fā)橋梁結構的振動和位移，獲取橋梁關鍵截面的應變、撓度及加速度等實測數(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較分析。分析結果表明：在靜荷載作用下，各工況撓度、應變校驗系數(shù)均小于1.0，相對殘余變形及應變均不大于20%，實測基頻大于理論基頻，在動荷載作用下，動應變增量系數(shù)均大于規(guī)范允許值，沖擊系數(shù)較大，綜合評定該橋承載能力滿足設計要求，但在運營期間應加強橋面養(yǎng)護，保持平整通暢。

關鍵詞：T型剛構橋；荷載試驗；承載能力；有限元分析

中圖分類號：U44""""""""" 文獻標志碼：A

截至2022年底，我國已建成公路橋梁103.32萬座，總長度8576.49萬延米[1]。雖然公路橋梁建設的快速發(fā)展帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，但也有橋梁垮塌、損毀等質(zhì)量問題，為保證新建橋梁的施工質(zhì)量，最直接有效的手段是對橋梁進行荷載試驗，以檢驗橋梁承載能力是否滿足設計要求。根據(jù)加載方式，可將橋梁荷載試驗分為靜載和動載試驗，靜載試驗測得的橋梁關鍵截面應力及撓度數(shù)據(jù)可反映橋梁結構的強度、剛度等性能，動載試驗則可獲得橋梁結構的自振特性和動力響應，包括移動車輛或其他移動荷載作用下橋梁指定截面上的動應變、動撓度或者加速度等[2-3]。通過荷載試驗，可對橋梁的整體質(zhì)量進行綜合評定，全面掌握橋梁結構的工作性能。

本文以某T型剛構橋（100m+100m）為例，首先，采用大型通用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，并對其進行結構計算，設計加載方案，其次，進行現(xiàn)場荷載試驗采集實測數(shù)據(jù)，最后，比較實測值與理論值，計算并考慮試驗現(xiàn)象后進行綜合分析，全面評估該橋梁結構性能及使用功能是否滿足設計要求，為橋梁運營的安全性提供技術依據(jù)，并為今后橋梁維護、管理提供原始資料。

1工程概況

試驗橋例左、右幅孔跨布置均為（100+100）m預應力混凝土T型剛構，左幅縱坡-1.5%，右幅縱坡-1.6%。測試主梁為單箱單室變截面預應力混凝土箱梁，梁頂全寬16.75m，梁底寬8m，橋面橫坡單向2%，中支點截面梁高11.5m，邊支點截面及邊跨合龍段梁高均為4.0m，梁底線形按1.6次方拋物線漸變，中支點截面底板厚度為1.3m，漸變至邊跨合龍段0.32m，再從合龍段漸變至梁端0.7m。

下部結構主墩采用雙肢薄壁墩，截面形式采用實心矩形，單肢尺寸為8.0m（橫橋向）×2.0m（順橋向），橋墩雙肢間凈距為3.0m，墩頂與主梁0#節(jié)段固接，墩底固結于承臺。過渡墩采用矩形實心墩，縱橋向?qū)?.5m，橫橋向?qū)?0.5m。主墩承臺采用14.0m×14.0m×5.0m矩形承臺，過渡墩承臺采用14.0m×7.0m×3.0m矩形承臺，主墩樁基均采用9根直徑為2.0m的樁基，過渡墩采用6根1.8m的樁基，主橋樁基按嵌巖樁設計，現(xiàn)澆箱梁采用C55混凝土，主墩和過渡墩墩身采用C50混凝土，橋墩樁基、承臺采用C30混凝土，設計荷載為公路-I級。

2靜載試驗

2.1理論計算

采用橋梁通用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，并分析結構，全橋共劃分為112個節(jié)點，116個單元，箱梁材料采用C55，主墩采用C50，承臺采用C30，單元類型全部采用梁單元，主橋計算模型如圖1所示。在試驗中，主跨車輛橫橋向按中載布置，通過有限元計算分析，確定正常使用極限狀態(tài)車輛荷載作用下的最不利斷面，當本橋靜載試驗時，選擇對應的截面和測點進行測試，圖2為主橋撓度測試截面圖。

2.2理論與實測數(shù)據(jù)分析

以左幅橋為例，試驗加載分為第一跨最大正彎矩、墩頂最大負彎矩及第二跨最大正彎矩等3個工況，在對應工況車輛分級加載及卸載作用下，主梁各測點的撓度實測值、計算校驗系數(shù)η見表1和表2，相應的撓度曲線如圖3、圖4所示。

由表1和表2、圖3、圖4可知，在分級加載作用下，各測點實測撓度值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)均小于1.0，表明結構豎向剛度滿足設計及使用要求。同時在試驗車輛卸載后，各測點的撓度殘余值均小于規(guī)范的允許值20%，表明結構處于線彈性工作狀態(tài)。

主橋2號應變測試截面距主墩右側1m，應變測點按5等分點布置在箱梁截面右側腹板，1號、3號測試截面對稱布置在距主橋兩端29m處，應變測點按5等分點布置在箱梁截面底板。本文提取左幅對應工況下1號至3號截面應變測試數(shù)據(jù)，結果見表3～表5，相應的應變分布圖如圖5～圖7所示。

由表3～表5和圖5～圖7可知，在對應工況車輛分級加載及卸載作用下，主梁截面各測點實測應變值均小于理論計算值，應變校驗系數(shù)η均小于1.0，說明橋梁結構強度滿足設計及使用要求。同時試驗車輛卸載后，各測點的殘余應變與實測總應變的比值均小于規(guī)范容許值的20%，表明結構處于線彈性工作狀態(tài)。

3動載試驗

橋梁在車輛荷載作用下會產(chǎn)生振動、沖擊等動力反應，動載試驗可通過測試數(shù)據(jù)及波形分析，獲取橋梁結構的動力特性，檢驗橋梁在正常使用極限狀態(tài)下的實際承載能力，同時對橋梁的整體動力性能進行評定[4-6]。測試工況包括脈動試驗、行車試驗及剎車試驗等。

3.1脈動試驗

在橋面無行車及任何規(guī)則振源的情況下進行試驗，測試橋梁結構的微小而不規(guī)則的振動響應，并進行譜分析獲取橋梁結構的基頻，分析結果見表6。

由表6可知，試驗橋跨的基頻實測值大于理論計算值，表明所測結構實際剛度大于設計剛度，根據(jù)橋梁自振頻率評定標準，該橋左、右幅自振頻率評定標度均評定為1。

3.2行車及剎車試驗

行車及剎車試驗是評估橋梁結構在實際荷載作用下動力性能和安全性的重要方法。試驗選取跨中附近正彎矩最不利截面，每個截面布置3個測點，在箱梁底板布置測點。行車試驗采用1輛總重約400kN的加載車輛，分別以20km/h、30km/h、40km/h的速度通過橋梁，測試橋梁主體結構在車輛移動荷載作用下的動態(tài)反應，剎車試驗采用加載車分別以20km/h、30km/h的速度，在選取的跨中附近正彎矩最不利截面上進行緊急剎車，測試主梁控制截面的動應變（應力）及增量，以評估橋梁在車輛采取緊急制動措施時的動力性能。本文以左幅橋為例，提取試驗橋跨動應變測試分析結果，見表7和表8。

由表7和表8可知，橋梁試驗跨無障礙行車試驗最大動力系數(shù)為1.063，對應動應變增量系數(shù)為0.063，剎車試驗最大動力系數(shù)為1.150，對應動應變增量系數(shù)為0.150，分析可知，本橋動態(tài)應變增量系數(shù)均大于計算的規(guī)范允許值0.05（flt;1.5Hz），表明該橋沖擊系數(shù)較大，在后續(xù)運營期間應加強橋面監(jiān)控和養(yǎng)護，防止橋面出現(xiàn)破損，坑槽等病害。

4結論

在試驗靜荷載作用下，該橋各測試截面主要測點的撓度校驗系數(shù)和應變校驗系數(shù)均小于1，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）[7]的相關要求，主要控制測點相對殘余撓度和相對殘余應變不大于20%，表明該橋試驗跨剛度、強度均滿足設計和使用要求。在無任何交通荷載及橋址附近無規(guī)則振源情況下，橋梁左、右幅基頻實測值均大于理論計算值，自振頻率評定標度均評定為1。在試驗動荷載作用下，該橋左、右幅動態(tài)應變增量系數(shù)均大于計算的規(guī)范允許值0.05，表明該橋沖擊系數(shù)較大，在運營期間應加強橋面監(jiān)控和養(yǎng)護。本文試驗成果可為今后同類型橋梁的設計和施工提供參考。

參考文獻

[1]交通運輸部.2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[N]. 中國交通報，2023-06-16（2）.

[2]楊正斌. 橋梁荷載試驗車輛自動化布載算法研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2016.

[3]楊美云. 橋梁荷載試驗車輛自動化布載研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2014.

[4]周海俊，吳永昌，譚也平，等. 橋梁荷載試驗研究綜述[J]. 中外公路，2008，28（4）：164-166.

[5]馬國興. 公路橋梁檢測中荷載試驗的應用技術初探[J]. 中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（文摘版）工程技術，2023（12）：94-97.

[6]張軍輝. 大跨徑連續(xù)剛構梁橋荷載試驗評定與研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2009.

[7]交通運輸部. 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/TJ21—2011[S]. 北京：人民交通出版社，2011.