王 震，趙 青

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于橋梁﹑公路等基礎(chǔ)設(shè)施的要求也在不斷的提高，而橋梁作為交通系統(tǒng)的咽喉，是江河懸崖等特殊地段可以通行的關(guān)鍵[1-2]。為了解新建橋梁的結(jié)構(gòu)性能和承載能力，檢驗橋梁設(shè)計與施工的質(zhì)量，保證運(yùn)營時的安全，需要對橋梁進(jìn)行檢測，分析得出橋梁的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，判斷其相關(guān)性能是否達(dá)到安全通行的要求[3-4]。

1 工程概況

該橋橋面寬度為24.5 m，具體布置為：2×[0.5 m(護(hù)欄)+10.75 m(行車道)+0.75 m(護(hù)欄)] +0.5 m(中央分隔帶)，雙向4車道。主橋長220 m，上部結(jié)構(gòu)為四跨一聯(lián)(40+70+70+40)m變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)；采用實體式橋墩，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；主橋和引橋的材料使用標(biāo)號為C50的混凝土。設(shè)計荷載等級：公路-Ⅰ級；設(shè)計的行車速度：80km/h?，F(xiàn)對其進(jìn)行動靜載試驗，為橋梁竣工驗收提供參考，并為以后的狀態(tài)評定提供原始數(shù)據(jù)。

2 有限元模型

根據(jù)設(shè)計圖紙，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件midas/civil建立結(jié)構(gòu)分析模型，其中將箱梁結(jié)構(gòu)用梁單元進(jìn)行模擬，選擇5個截面，分別為墩頂-跨中截面，橫隔板截面，跨中-墩頂截面，墩頂截面，跨中截面，材料為C50混凝土，下圖展示模型箱梁部分，如圖1所示[5]。

圖1 有限元模型圖

3 靜載試驗[6-8]

3.1 靜載試驗原理

靜載試驗原理是通過在橋梁的指定位置，施加靜止的標(biāo)準(zhǔn)荷載或者標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載的等效荷載，以測定應(yīng)變，撓度等數(shù)據(jù)，并通過荷載效率和效驗系數(shù)對橋梁的相關(guān)情況進(jìn)行判斷。

3.2 測試截面選擇

由于該橋主橋是四跨一聯(lián)(40+70+70+40m)預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，試驗聯(lián)跨段的確定按以下原則考慮：(1)在這段橋跨中，橋跨的受力較為不利，可以得出較不利位置的試驗結(jié)果；(2)橋梁各跨結(jié)構(gòu)相似，試驗橋跨具有一定的代表性，其試驗結(jié)果可以代表其他同類橋跨的性能；(3)試驗橋跨便于進(jìn)行荷載的布置。

通過有限元軟件模擬出主橋的彎矩包絡(luò)圖，如圖2所示。由主橋彎矩包絡(luò)圖可知，連續(xù)梁橋沿橋跨縱向正彎矩以跨中作為控制、負(fù)彎矩以墩頂支座作為控制，從而確定第2孔跨的三個主要控制截面，即第2孔跨的墩頂負(fù)彎矩，L/4截面，跨中正彎矩三處，如圖3的A、B、C三個截面所示。

確定五種試驗工況，工況一：A截面處梁最大內(nèi)力的加載試驗；工況二：B截面處梁內(nèi)力的加載試驗；工況三：C截面處梁最大內(nèi)力的加載試驗；工況四：B截面處梁撓度的加載試驗；工況五：C截面處梁最大撓度的加載試驗。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下主橋彎矩My包絡(luò)圖

圖3 試驗聯(lián)第二孔跨各測試控制截面位置圖 (單位：m)

3.3 截面測點布置

主梁每個正彎矩控制截面布置2個應(yīng)力(應(yīng)變)測點，負(fù)彎矩控制截面布置2個應(yīng)力(應(yīng)變)測點，在兩側(cè)距防撞欄桿底座邊緣處布置撓度控制測點。測點布置如圖4所示。

3.4 試驗荷載及其布置

試驗使用滿載后重量為402kN的汽車進(jìn)行加載，車輛前軸重均值60kN，后軸重均值342kN。一共有五種試驗工況，工況一采用三級加載的方式，加載車輛逐級增加，分別為四輛車﹑六輛車和八輛車；其余四種工況均按照二級加載，第一級加載布置兩輛車，第二級加載布置四輛車。

3.5 靜載試驗數(shù)據(jù)

3.5.1 試驗荷載效率分析

列出工況一到工況五試驗荷載下的計算值和標(biāo)準(zhǔn)活荷載下的計算值，計算得出試驗荷載效率，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗荷載效率

3.5.2 應(yīng)變分析

采用DH3819無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行該橋的應(yīng)變檢測，選取工況一至工況三中的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行實測值與計算值的比較，并計算得出殘余變形和應(yīng)變效驗系數(shù)。結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)變結(jié)果評定表

3.5.3 撓度分析

撓度檢測儀器采用北京光電技術(shù)研究所BJQN-V橋梁撓度儀。選取工況四和工況五中幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行實測值與計算值的對比，計算得出撓度效驗系數(shù)，截面撓度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 撓度結(jié)果評定表

4 動載試驗

4.1 動載試驗原理

動載試驗主要測定試驗橋跨的頻率，振型，沖擊系數(shù)，阻尼比等，實測數(shù)據(jù)通過脈動試驗和剎車試驗測試得出，理論數(shù)據(jù)通過橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件midas/civil模擬得出，最終將實測值與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而對橋梁動力性能進(jìn)行分析。

4.2 測點布置

由于橋梁結(jié)構(gòu)豎向振動的結(jié)構(gòu)特點，將該聯(lián)傳感器主要布置在試驗梁段的支點附近、L/4截面、L/2截面和3L/4截面。第一跨支點附近設(shè)置固定測點，第一跨L/4截面處設(shè)置移動測點，其余三跨的L/4截面處設(shè)置固定測點，第一跨至第四跨的L/2截面處和3L/4截面處均設(shè)置移動測點。

4.3 動載試驗方案

剎車試驗：用一輛和并行的兩輛載重汽車(每輛重約400kN)以20km/h、30km/h的速度勻速行駛到指定測試斷面時進(jìn)行緊急剎車。

脈動試驗：通過采集試驗橋跨在橋址環(huán)境隨機(jī)荷載作用下的振動信號，利用測試系統(tǒng)的信號分析處理功能對采集到的振動信號進(jìn)行頻譜分析。

4.4 動載試驗數(shù)據(jù)

4.4.1 剎車數(shù)據(jù)分析

通過試驗可以得出，在20km/h的剎車曲線中，所測微應(yīng)變最大值為24.320，最小值為-4.226。在30km/h的剎車曲線中，微應(yīng)變最大值為23.979，最小值為-7.362。

4.4.2 沖擊系數(shù)分析

由試驗中測得的相關(guān)數(shù)據(jù)可得該橋的沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)結(jié)果為1.017。

4.4.3 模態(tài)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可得該橋結(jié)構(gòu)動力特性值(振動頻率，阻尼比)等數(shù)據(jù)，見表4所示，其一階至三階實測振動模型與理論振動模型如圖5所示。

圖4 A、B、C截面彎曲應(yīng)力和撓度測點布置圖

表4 頻率及阻尼比

圖5 前三階實測振型和理論振型

5 結(jié) 論

(1) 在靜載試驗中，通過試驗所得數(shù)據(jù)可以得出，試驗荷載效率在0.95～1.03之間，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)劃》可知，橋梁的試驗荷載效率應(yīng)當(dāng)介于0.85～1.05之間，顯然符合要求；各控制測量截面卸載后殘余值較小，說明橋梁的受壓后變形恢復(fù)能力較好，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.39～0.74之間，撓度校驗系數(shù)在0.51～0.73之間，說明橋梁的彈性性能良好，能夠滿足設(shè)計要求。

(2) 在動載試驗中，通過軟件對該橋梁的模態(tài)進(jìn)行模擬，結(jié)合試驗所測得的實際值，可得其一階實測頻率為1.563Hz，一階理論頻率為1.469Hz，二階實測頻率為2.441Hz，二階理論頻率為2.419Hz，實測值皆大于理論值，且各階豎彎模態(tài)實測振型與理論振型非常吻合，沖擊系數(shù)為1.017，說明該橋試驗跨整體剛度較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能。

(3) 試驗橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，具有良好的剛度，且動力性能較好。