伍學(xué)慧 王保兵

1.中通工程設(shè)計有限公司，中國·云南 昆明 650011

2.云南通衢工程檢測有限公司，中國·云南 昆明 650011

某高速公路上跨橋通行車輛超載嚴重，橋梁1#跨、4#跨出現(xiàn)不同程度裂縫，目前該橋兩邊跨已采取一定的維修措施。為對橋梁結(jié)構(gòu)作出總體評價，科學(xué)制定橋梁維修加固方案和為運營管理措施提供技術(shù)依據(jù)，研究該橋在偏載作用下的應(yīng)變和撓度；通過模態(tài)試驗和無障礙跑車試驗來測試該橋的固有自陣特性和動力響應(yīng)，將上述實測結(jié)果與理論值進行比較。結(jié)果表明，在靜載作用下，該橋的相對殘余變形均滿足檢測規(guī)程中不大于20%的要求；校驗系數(shù)均滿足檢測規(guī)程的限值且小于1；在動力荷載作用下，該橋豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程中該比值大于等于0.90 的要求；對應(yīng)阻尼比分別為0.028、0.032、0.039；動載跑車試驗得到的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，小于基頻計算的沖擊系數(shù)（0.241），說明該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平。

連續(xù)斜橋；加固；荷載試驗；沖擊系數(shù)；承載能力

1 引言

隨著時代的不斷發(fā)展，人民的生活水平越來越好，中國的公路交通迅猛發(fā)展，運營車輛超載已成為十分普遍的現(xiàn)象。由于普遍的超載現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)的超負荷工作增加了其損傷的幾率。而橋梁作為交通運輸?shù)闹匾M成部分，當出現(xiàn)由于超載現(xiàn)象引起的結(jié)構(gòu)損傷時，必須采取重視對其進行承載能力進行評定以確定橋梁的真實受力狀況。

目前，中國的斜交橋建設(shè)越來越成熟，它的身影在城市立交中隨處可見，由于其受力和傳力的特殊性，中國相關(guān)的業(yè)內(nèi)人員對斜橋的荷載試驗進行了研究，并獲得了一定的成果。周愛國[1]對某斜交空心板橋荷載試驗空間效應(yīng)研究；張炯[2]等對斜交T 梁橋荷載試驗分析研究；姜基建等[3]對斜交箱梁橋靜動力特性試驗分析研究；劉小軍[4]對某斜交梁橋荷載試驗計算分析；魏煒、李滿囤等[5]對某鋼筋混凝土斜板橋極限承載力試驗研究；王道鋒[6]對斜交板梁橋荷載試驗時的橫向分布問題的研究；陳一寧[7]通過荷載試驗檢驗橋梁加固效果的研究。但是，目前中國通過荷載試驗來檢驗多跨連續(xù)斜橋加固后的實際效果的研究卻很欠缺。因此，開展多跨連續(xù)斜橋加固后的荷載試驗研究，具有重大的理論價值，同時對以后相同的工程具有積極的借鑒意義。

論文以建成于1999年的某高速公路上跨橋為背景，橋梁上部結(jié)構(gòu)為19m+21m+21m+19m 普通鋼筋混凝土連續(xù)板橋，橋梁斜交，斜度為45 度。主梁為現(xiàn)澆實心板，厚100cm；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土薄壁輕型橋墩（臺）；橋面寬度：0.40m(護欄)＋7.20m(機動車道)+ 0.40m(護欄)＝8m。該橋的立面圖如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖

試驗跨按連續(xù)梁考慮，并利用MIDAS/Civil 建立單梁模型分析計算，模擬公路-II 級荷載進行試驗確定出該橋測試截面的應(yīng)變、撓度的理論值，掌握橋梁的影響線并確定加載位置、加載噸位，建模時采用以下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料且彈性模量都為常數(shù)；

（2）截面變形符合平截面假設(shè)；

（3）僅實心板本身參與受力；

（4）不考慮鋼筋換算面積、混凝土開裂等因素對主梁剛度的影響。

橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 計算模型圖

2 橋梁靜載試驗

2.1 靜載試驗原則

靜載試驗主要是把加載車輛布置于主要測試截面上來測定各測點應(yīng)變、撓度，并與理論值相比，獲得相對殘余變形和校驗系數(shù)，從而綜合評價該橋的受力性能。本次加載以公路-II 級為準，通過加載位置、加載噸位等調(diào)整控制靜載效率達到0.95～1.05。根據(jù)計算分析確定該橋靜載試驗需2 輛40T、2 輛30T 雙后軸特重車，試驗車滿載時軸重、軸距如圖3所示。

圖3 試驗車

應(yīng)變測試：應(yīng)變片布置于相應(yīng)的實心板底面，每個實心板底面布置5 個阻值為120Ω、靈敏系數(shù)為2.08 的應(yīng)變片，其標距為10cm。并用DH3819 無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理。

撓度測試：水準測量時將測試截面上的測點，采用水泥釘打入橋面鋪裝，每個測試截面撓度測點（兩側(cè)護欄內(nèi)邊緣）共布置18 個撓度測點，其余的部分采用百分表測量。

2.2 測試截面及測點布置

橋梁靜載試驗按照橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則確定試驗工況及測試截面，測試截面布置如圖1所示?？紤]到本橋橋面寬度較窄，故僅布置左側(cè)偏載工況，測試截面取為1#跨（JM1）、1#墩墩頂（JM2）和2#跨（JM3），并與伸縮縫方向平行，撓度和應(yīng)變測點如圖4、圖5所示。

圖4 JM1、JM2、JM3 截面應(yīng)變測點圖

圖5 撓度測點圖

2.3 測試工況與荷載布置

在1#跨、2#跨的JM1、JM2 和JM3 截面依次進行加載，JM1、JM3 截面加載車沿橫向布置2 輛車，JM2 截面加載車沿橫向布置4 輛車，為左側(cè)偏載，荷載工況詳情如表1所示。

表1 荷載試驗工況

2.4 靜載試驗效率

為了滿足公路-II 級效應(yīng)的要求，通過控制內(nèi)力等效原則來選擇試驗車輛的數(shù)目和重量，并調(diào)整布車位置、車輛的重量使靜載效率介于0.95～1.05，靜載效率，按式（1）[8]計算：

式中：Ss為靜載下某測試工況下應(yīng)變或撓度的最大理論值；S 為靜載引起的相同加載工況下應(yīng)變或撓度的最不利影響理論值；μ 為規(guī)范中取的沖擊系數(shù)；ηq為靜載效率。

本次加載以公路-II 級為準，通過布車位置、加載車輛的重量等調(diào)整控制靜載效率ηq介于0.95～1.05，該橋靜載效率值詳情如表2所示，其中公路-II 級效應(yīng)考慮了沖擊系數(shù)。

表2 靜載效率

2.5 試驗結(jié)果分析

2.5.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析

工況1～工況3 的荷載效率分別為1.01、1.00、1.02，均滿足荷靜載效率ηq大于0.95 的要求。

JM1、JM2、JM3 截面的實心板底橫向應(yīng)變實測值均不大于理論值。校驗系數(shù)介于0.63～0.90，說明結(jié)構(gòu)強度處于正常水平。結(jié)構(gòu)實測最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.8%均符合檢測規(guī)程[8]不大于（20%）的規(guī)定，說明實心板橋在試加載車輛作用下工作性能良好。試驗結(jié)果表明，該實心板橋在正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度滿足公路-II 級的要求。

根據(jù)測試的結(jié)果對比圖繪制成圖6所示。

圖6 理論與實測彈性應(yīng)變對比曲線

從圖6可知，JM1～JM3 截面的板底橫向應(yīng)變實測值與理論計算值的曲線走向一致，且都不大于理論計算值，說明該橋橫向力傳遞良好，該實心板橋強度在正常使用極限狀態(tài)下符合公路-II 級的要求，表明該橋處于彈性工作狀態(tài)。

2.5.2 撓度測試結(jié)果分析

工況1、工況3 的試驗效率系數(shù)分別為1.01、1.02，均滿足靜載效率ηq不小于0.95，加載有效。

JM1、JM3 截面的撓度實測值均不大于理論值，校驗系數(shù)介于0.58～0.84，工況1、工況3 的最大撓度實測值分別為-3.57 mm、-3.29mm，與計算跨徑（18.72m、21m）的比值分別為1/5244、1/6383，小于檢測規(guī)程規(guī)定[8]的1/600，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大相對殘余撓度為10.6%，均符合規(guī)范[8]不大于（20%）的規(guī)定。試驗表明，該實心板橋在正常使用極限狀態(tài)下的縱向剛度滿足公路-II級的要求。

根據(jù)測試的結(jié)果對比圖繪制成圖7所示。

圖7 各工況下理論與實測彈性撓度對比曲線

從圖7看出，JM1、JM3 截面的撓度實測值與理論值的曲線走向一致，且都不大于理論計算值，說明在正常使用極限狀態(tài)下的該實心板橋縱向剛度滿足公路-II 級的要求，表明該橋處于彈性工作狀態(tài)。

3 橋梁動載試驗

3.1 試驗內(nèi)容

橋梁自振特性測試：包括固有振型、振動頻率和阻尼比等方面，通過分析橋梁固有振動頻率實測值和理論值的比值以及實測阻尼比，可定性判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度情況。橋梁行車動力響應(yīng)測試：測試在無障礙跑車作用下實心板的響應(yīng)，包括振動加速度、動應(yīng)變等，可計算得到橋梁沖擊系數(shù)，從而評價該實心板橋的動力性能。

3.2 測試工況

3.2.1 模態(tài)試驗

模態(tài)測試時，僅測試橋梁低階豎向振型，不考慮高階扭轉(zhuǎn)振型。結(jié)構(gòu)振動速度測點沿縱橋向僅布置一排，為了方便測試，統(tǒng)一布置于橋梁左側(cè)護欄頂部，共12 測點。由于傳感器數(shù)量少于測點數(shù)，故測試分為兩批次，并取某一測點作為不動的參考點，然后通過模態(tài)分析，最終得獲該實心板橋固有的自振特性。

3.2.2 無障礙跑車試驗

在橋面無障礙的情況下，采用1 輛載重約300kN 的汽車以15km/h、20km/h、25km/h、30km/h 的速度勻速通過，對橋梁結(jié)構(gòu)進行激勵。采用應(yīng)變片分別測試JM1、JM3 截面的動應(yīng)變響應(yīng)，分析計算得到該實心板橋的沖擊系數(shù)。

3.3 測試結(jié)果和分析

3.3.1 模態(tài)試驗

通過模態(tài)試驗進行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，可以得到該橋固有的自振特性的實測值并與MIDAS/Civil 計算的理論基頻進行對比如表3所示。

表3 模態(tài)試驗結(jié)果

由表3可見，豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程[8]中該比值大于等于0.90 的要求；豎向1～豎向3 階阻尼比實測值為0.028、0.032、0.039，均正常，表明動剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3.3.2 無障礙跑車試驗

本橋選定JM1、JM3 截面進行試驗，用1 輛300kN 的加載車駛過該橋，采用應(yīng)變片分別測試JM1、JM3 截面的動應(yīng)變響應(yīng)，分析計算得到該實心板橋的沖擊系數(shù)，根據(jù)理論基頻計算的沖擊系數(shù)為μ=0.241，實測動態(tài)增大系數(shù)如表4所示。

表4 跑車試驗結(jié)果

由表4可見，該橋的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，均小于設(shè)計沖擊系數(shù)（0.241），該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平，滿足要求。

4 結(jié)語

（1）對該橋選取有代表性的1#跨、2#跨，以公路-II級為目標荷載等級進行了靜載試驗，工況1～工況3 的靜載效率分別為1.01、1.00、1.02，滿足靜載效率0.95～1.05 的要求，加載有效，加載過程一切正常。

（2）靜載試驗結(jié)果表明：相對殘余變形均滿足規(guī)范[8]不大于（20%）的要求，表明該橋工作性能良好；各工況下JM1、JM2、JM3 截面的校驗系數(shù)均小于1，說明該橋的強度和剛度滿足公路-II 級的要求。

（3）動載試驗結(jié)果表明：豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程[8]中該比值大于等于0.90 的要求；豎向1～豎向3 階阻尼比實測值為0.028、0.032、0.039，均正常，表明該橋的動剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。該橋的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，小于設(shè)計沖擊系數(shù)（0.241），該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平，滿足要求。