公路預應力連續(xù)梁荷載試驗研究

摘 要：本文以山東省某公路預應力簡支梁為研究對象，使用有限元軟件計算了橋體的自振頻率，通過動載與靜載荷載試驗，分析橋梁結構的實際力學性能，判斷橋梁的實際工作狀況是否符合設計要求或處于正常受力狀態(tài)，進而判斷橋梁結構設計與運行期間的安全性，為后續(xù)橋梁養(yǎng)護和管理工作提供參考依據。研究結果表明：橋體一階振型對應自振頻率f1=1.76Hz，二階振型對應自振頻率f2=3.68Hz。上述計算結果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導致共振現象，影響橋梁的安全使用。各工況下各控制截面的主要應變測點實測最大值為62με，滿足設計和使用要求，說明橋體在各類工況下工作性能良好。

關鍵詞：公路橋梁；橋梁安全；荷載試驗；連續(xù)梁運營

中圖分類號：U 445" 文獻標志碼：A

預應力混凝土簡支梁橋梁是現代公路橋梁中常見的一種橋梁形式，其特點是結構簡潔、施工方便、經濟性好。朱強[1]采用體外預應力技術加固公路簡支T梁橋梁，研究結果表明加固效果良好。丘峰[2]通過荷載試驗方法，綜合評估了寬跨比較大的簡支梁橋的實際承載能力，進而確定了橋梁的實際運營狀況和使用條件。陳明忠等[3]通過脈動試驗、無障礙行車試驗、有障礙行車試驗等方法，研究橋梁的自振特性和不同行車速度下的變形響應，保障跳車試驗下的沖擊作用安全性。姚慰[4]基于模態(tài)測試的等效荷載試驗方法能夠方便快捷地評估橋梁承載能力，這種方法無需長時間中斷交通和大噸位加載車，具有經濟性和實用性。本文以山東省某公路預應力簡支梁為研究對象，使用有限元軟件計算了橋體的自振頻率，通過動載與靜載荷載試驗，分析橋梁結構的實際力學性能，判斷橋梁的實際工作狀況是否符合設計要求或處于正常受力狀態(tài)，進而判斷橋梁結構設計與運行期間的安全性，為后續(xù)橋梁養(yǎng)護和管理工作提供了參考依據。

1 工程概況

山東省某公路大橋全長671m，分左、右兩幅，跨徑布置為（40+40+40）m，平面位于直線上，縱斷面位于等高度直線上。第一聯箱梁與臨近大橋相連。上部結構第一聯采用單箱雙室的全預應力混凝土現澆連續(xù)梁，梁等高且為2.4m，第二聯采用40m裝配式先簡支后連續(xù)預支T梁，下部結構采用空心薄壁變截面空心墩，墩臺采用樁基礎。荷載等級為公路－Ⅰ級，橋面寬度：2m×16.5m。選取該橋第一聯左、右幅（40+40+40）m現澆箱梁作為試驗聯，并對其進行荷載試驗。

橋址已建場地上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層素填土及耕土，第四系全新統(tǒng)坡洪積層粉質黏土、漂石及沖洪積層粉質黏土、漂石。層淤泥質黏土：灰黑、深灰、灰黃、磚紅色，流塑～軟塑，以粉黏粒為主，黏性強，局部夾多層薄層粉砂及較多腐木碎塊。橋址區(qū)范圍內大部分鉆孔有揭露，呈層狀、似層狀產出，層面標高為1.66～6.54m，層面埋深為0.00～4.40m，層厚為0.40～14.30m。巖土施工工程分級屬Ⅱ級，推薦承載力基本值σ0為30kPa。

2 有限元數值模擬

為了全面而深入地剖析連續(xù)梁橋梁在僅受自身質量影響下的自振頻率特性，將詳盡的施工圖設計文件作為分析基礎，嚴格遵循《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的計算荷載標準，根據具有代表性的公路-I級荷載標準進行精準的理論計算。利用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil 2012構建連續(xù)梁的三維數值模型（如圖1所示），分析各部件之間的連接關系及相互作用，保證模型的準確性和可靠性，該三維數值模型直觀地展示了連續(xù)梁的整體構型、截面變化以及關鍵節(jié)點位置，為后續(xù)的自振頻率分析奠定了堅實的基礎。

振型是指橋梁在某種自振頻率下的振動形態(tài)，它是橋梁結構動力分析中的重要部分，有助于了解橋梁在不同振動模式下的變形特征。橋梁的自振頻率特性還與橋梁的穩(wěn)定性密切相關。圖2、圖3是橋梁一階、二階自振振型計算結果，由圖2、圖3可知，兩種振型最大變形位于中跨位置處，邊跨處的變形較小，一階振型對應自振頻率f1為1.76Hz，二階振型對應自振頻率f2為3.68Hz。上述計算結果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導致共振現象，影響橋梁的安全，須在橋梁上安裝振動監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測橋梁的振動情況，及時發(fā)現并預警潛在的共振風險，定期對橋梁進行全面檢測，包括結構完整性、材料性能、連接件狀態(tài)等，保證橋梁處于良好狀態(tài)，并對橋梁的安全狀況進行評估，包括結構性能、振動特性等方面，保證橋梁始終處于安全可控狀態(tài)。

3 動載試驗分析

對橋梁進行結構動力分析，主要包括以下部分。1）跑車試驗：采用一輛載重車輛分別以30km/h、40km/h和50km/h的行車速度通過橋梁，采集橋梁結構振動響應，測定結構的自振頻率、阻尼比。2）剎車試驗：采用一輛載重車輛分別以30km/h、40km/h和50km/h的行車速度通過橋梁，行駛至主跨跨中時進行制動，測試橋梁結構在汽車動荷載作用下的動撓度，計算得到結構沖擊系數[5]。

從以下幾個方面評定動載試驗結果。1）橋梁結構實測振型是否與結構動力計算分析結果相符。2）橋梁結構實測自振頻率是否大于結構理論自振頻率，實測阻尼比是否處于正常范圍。3）實測結構沖擊系數是否小于設計規(guī)范取值[6]。根據以上試驗結果，綜合評價橋梁結構的總體剛度及整體動力性能。對橋梁動載跑車、剎車試驗均選擇主跨跨中截面進行評價，通過全橋18個測點進行模態(tài)測試，跑車試驗實測自振頻率對比結果、剎車試驗沖擊系數檢測結果和模態(tài)測試橋梁實測自振頻率及阻尼比檢測結果匯總分別見表1和表2。

根據計算與實地測試結果，該橋梁在剎車試驗中展現出了令人滿意的性能。實測沖擊系數的平均值為1.033～1.047，與通常關注的閾值相比，這個數值較低，不僅驗證了橋梁結構在應對急停沖擊時具有良好的穩(wěn)定性與韌性，還反映了設計的合理性。此外，在跑車試驗中，橋梁前二階自振頻率的實測值與理論計算值之比為1.18～1.38，這個比例表明實測性能優(yōu)于設計預期，體現了橋梁結構在動態(tài)載荷作用下的優(yōu)異表現。

在偏載工況的細致考察下，橋梁左側與右側的撓度變化及應變漸變趨勢與理論計算結果保持了高度一致，這個發(fā)現不僅體現了預應力混凝土箱梁在復雜受力狀態(tài)下的橫向剛度優(yōu)勢，在全橋異常變形觀察工況的極端加載條件下，橋跨結構依然保持了穩(wěn)定的形態(tài)，未出現任何異常變形跡象，表明該橋梁整體結構的技術狀況極為良好，具備極高的承載能力與安全性。

4 靜載試驗分析

橋梁靜載試驗通過模擬橋梁在實際使用中的受力情況，對橋梁結構施加靜力荷載，觀測其在不同荷載條件下的變形和應力分布情況。為了觀測橋梁變截面預應力連續(xù)箱梁在試驗荷載下的應力（應變）狀況和變形情況，分別在箱梁外壁混凝土表面各布置18個應變片。全橋總62個應變測點（未計入溫度補償片），靜力試驗荷載的效率系數η的取值為0.95～1.05。η的計算過程如公式（1）所示。

η＝Sstat/（S×（1+μ）） （1）

式中：Sstat為實際靜載值；S為理論靜載值；μ為誤差系數。

工況1：墩頂最大負彎矩中載工況。工況2：墩頂最大負彎矩右偏載工況。工況3： L/4最大正彎矩中載工況。工況4：L/4最大正彎矩右偏載工況。工況5：跨中最大正彎矩中載工況。工況6：跨中最大正彎矩右偏載工況。工況7：全橋異常變形觀察工況。按主跨正彎矩最不利加載位置布置四列車并排沿全橋慢速行駛。計算結果見表3和表4。

橋梁靜載試驗的結果深入揭示了該橋梁結構在靜態(tài)加載條件下的卓越表現與良好狀態(tài)。具體而言，將各測點相對殘余變形的實測數據控制在0.00%～16.67%，這個微小比例充分說明橋梁在承受設計范圍內的靜載作用后，能夠迅速且有效地恢復其原始形態(tài)，幾乎不會留下任何永久性變形，明確指出橋梁當前處于一個健康且高效的彈性工作階段。這種良好的恢復能力不僅體現了橋梁結構材料的高品質與合理的結構設計，也預示著其在長期使用過程中能夠保持良好的穩(wěn)定性和耐久性。進一步分析各工況下，各控制截面的主要應變測點實測最大值僅為62με（微應變），這個數值低于材料屈服或破壞的臨界應變值，顯示了橋梁結構面臨不同工況的靜態(tài)加載時，均能保持足夠的強度和剛度，有效抵抗外界作用而不發(fā)生過度變形或損傷。同時，校驗系數的平均值為0.72～0.79，低于行業(yè)規(guī)定的上限值1.05，驗證了試驗數據的準確性和可靠性，表明橋梁的實際承載能力優(yōu)于設計預期，為橋梁的安全運行提供了有力保障。

5 技術控制措施

為保證后續(xù)橋梁長期使用，須采取有效的腐蝕防治措施。包括使用抗腐蝕性能好的鋼材、涂刷防腐涂料、定期進行除銹和涂漆等，延長橋梁的使用壽命。在橋面、橋墩等部位涂刷防水涂料，防止水分侵入橋梁結構內部，從而避免腐蝕和損壞。這是橋梁預防性維護的重要環(huán)節(jié)。對位于地震頻發(fā)地區(qū)的橋梁來說，應采取必要的抗震加固措施（例如增加橋梁的剛度和強度、設置抗震支撐等），提高橋梁的抗震性能。

定期進行橋梁巡檢，保證橋梁的結構和設備的正常運行。巡檢內容包括橋面、橋墩、銹蝕情況、伸縮縫、防撞設施等各項安全要素檢查。橋梁清潔：定期進行橋梁的清潔工作，包括清除橋面上的雜物和積水，保持橋面干凈整潔，延長橋梁的使用壽命和保障交通安全。保養(yǎng)保潔：清洗橋面、涂刷橋面防滑涂層、修復劃痕和漆膜剝落等，保持橋梁的整潔和美觀，同時提高橋梁的使用安全性和耐久性。對發(fā)現的病害和損傷要及時進行維修加固處理，防止問題擴大和惡化。維修加固工作應嚴格按照相關規(guī)范和標準進行操作，保證維修加固效果和質量。利用現代信息技術建立橋梁信息化管理系統(tǒng)，對橋梁的運營狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警，提高橋梁管理的智能化水平。

6 結論

根據有限元計算結果，橋體一階振型對應自振頻率f1為1.76Hz，二階振型對應自振頻率f2為3.68Hz。上述計算結果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導致共振現象，影響橋梁的安全使用，須引起足夠重視。

剎車試驗實測沖擊系數平均值在1.033～1.047，均較小。該橋跑車試驗橋梁前二階自振頻率實測值與理論計算值比為1.18～1.38，大于1，模態(tài)測試各階實測振型和理論計算一致，表明該橋的整體性能和動剛度良好。

各工況下的各控制截面的主要應變測點實測最大值為62με，校驗系數平均值為0.72～0.79，低于規(guī)定的上限值1.05。各測點相對殘余應變?yōu)?.00%～18.75%，均較小，說明該橋處于良好的彈性工作狀態(tài)，各工況卸載后結構的應變回零良好。

參考文獻

[1] 朱強.預應力混凝土箱梁橋荷載試驗研究[J].運輸經理世界，2023（35）：108-110.

[2] 丘峰.基于荷載試驗的橋梁檢測技術應用研究[J].黑龍江交通科技，2023，46（7）：83-85.

[3] 陳明忠，王斌.中小跨徑橋梁荷載試驗有限元建模的梳理[J].山西建筑，2023，49（13）：177-179.

[4] 姚慰.基于橋梁承載能力與工程質量為導向的橋梁荷載試驗檢測要點研究[J].中國新技術新產品，2023（13）：105-107.

[5] 劉仁，李光運，何博，等.北非阿爾及利亞高速公路橋梁荷載試驗應用分析[J].交通世界，2022（35）：145-148.

[6] 亓興軍，孫緒法，周廣利，等.基于模態(tài)測試的裝配式簡支梁橋等效荷載試驗方法研究[J].地震工程與工程振動，2022，42（4）：61-69.