何佳， 冉舵兵， 梁波， 王兵

(重慶市建筑科學(xué)研究院， 重慶市 400016)

連續(xù)剛構(gòu)橋源于1964年的聯(lián)邦德國，當(dāng)時建成的橋梁為主跨208 m的本道夫橋。中國于20世紀80年代開始引入連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展，部分領(lǐng)域已達到世界先進水平。

橋梁荷載試驗作為橋梁投入使用前的一種驗收手段，是對橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工質(zhì)量的一種校核和評判。試驗過程中通過對控制截面關(guān)鍵參數(shù)(如撓度、應(yīng)變、裂縫等)的采集，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力性能和實際工作狀態(tài)，進而對橋梁整體結(jié)構(gòu)的承載能力進行評判。另外，成橋荷載試驗報告，也是橋梁投入運營后管養(yǎng)部門進行現(xiàn)場管理及養(yǎng)護的原始資料。

1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋位于重慶市巫山縣，跨徑組成為(55+100+55) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁+6×16 m鋼筋混凝土連續(xù)板，橋梁全長466.28 m，其中連續(xù)剛構(gòu)橋分左右兩幅布置，如圖1所示。右幅橋面寬度布置為7.5 m(車行道)+6 m(人行道)=13.5 m。設(shè)計汽車荷載：城-A級，人群荷載3.0 kN/m2；設(shè)計行車速度：40 km/h。

2 試驗內(nèi)容

2.1 外觀檢查

選取右幅橋為試驗對象，荷載試驗前，對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系及附屬結(jié)構(gòu)進行外觀檢查。

上部結(jié)構(gòu)檢查包括梁體混凝土有無風(fēng)化、剝落、破損、鋼筋外露、銹蝕等病害，并檢查梁體是否存在不正常的變位；梁體是否有裂縫出現(xiàn)或裂縫的分布情況。

圖1 某連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置圖(單位：cm)

下部結(jié)構(gòu)檢查橋墩及基礎(chǔ)是否滑動、開裂和下沉，墩臺有無破損等，支座是否發(fā)生剪切變形、脫空等。

橋面系構(gòu)造檢查鋪裝、護欄、排水構(gòu)造物、橋上交通設(shè)施等。

2.2 靜載試驗

(1) 應(yīng)變測試

根據(jù)試驗規(guī)范設(shè)置試驗控制截面，按照設(shè)計荷載計算控制截面的位置及最不利效應(yīng)值(內(nèi)力或變位)，然后在控制截面附近施加試驗荷載，使試驗荷載在控制截面產(chǎn)生的最不利效應(yīng)與設(shè)計荷載在控制截面產(chǎn)生的最不利效應(yīng)的比值滿足0.85～1.05的要求。試驗過程中，對設(shè)置在控制截面頂板、腹板及底板的應(yīng)變測點進行應(yīng)變測試(圖2、3)，并計算各測點處的應(yīng)力，以此來判定結(jié)構(gòu)強度。

圖2 縱橋向應(yīng)變測試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖3 控制截面應(yīng)變測點布置示意圖

(2) 撓度測試

試驗過程中，在控制截面設(shè)置撓度測點(圖4、5)，分析辨識結(jié)構(gòu)控制截面變形狀態(tài)，檢驗橋跨結(jié)構(gòu)剛度。

圖4 縱橋向撓度測試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖5 橫橋向測點布置示意圖

(3) 裂縫測試

根據(jù)外觀檢查結(jié)果，若在控制截面附近發(fā)現(xiàn)裂縫，則選擇具有代表性的裂縫，觀察裂縫在試驗過程中寬度、長度的變化情況；同時觀察控制截面附近是否出現(xiàn)新裂縫，若有，則記錄裂縫出現(xiàn)的時間、寬度、長度及變化情況，通過以上數(shù)據(jù)，判斷橋跨結(jié)構(gòu)的抗裂性。

2.3 動載試驗

橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能包括動力特性和動力響應(yīng)：動力特性包括自振頻率、阻尼比和振型等；動力響應(yīng)包括動應(yīng)變、動撓度、沖擊系數(shù)測試等。通過動載試驗得到的動態(tài)參數(shù)評價橋梁的整體動力性能。

(1) 脈動試驗

采用隨機環(huán)境激勵法，在橋梁不受任何車輛荷載作用下，通過高靈敏度拾振器拾取橋梁在大地振動、風(fēng)荷載、水荷載等環(huán)境荷載作用下，橋梁的時域曲線，通過頻譜分析得出橋梁主要頻率成分(頻域曲線)，然后從頻域曲線中得到橋梁1階自振頻率。

(2) 跑車試驗

在橋面無障礙的情況下，選用一輛450 kN試驗車輛，分別以10、20、30、40 km/h的速度勻速往返通過試驗橋梁。測定橋梁結(jié)構(gòu)在移動荷載作用下的受迫振動響應(yīng)：動應(yīng)變、動撓度及衰減性能。

(3) 剎車試驗

在橋面無障礙的情況下，選用一輛450 kN試驗車輛，以20 km/h的速度行駛，行駛至中跨跨中處突然制動。測定橋梁結(jié)構(gòu)在制動荷載作用下的受迫振動響應(yīng)：動應(yīng)變、動撓度及衰減性能。

3 模型建立

為了使理論分析與實際結(jié)構(gòu)更接近，采用Midas/Civil和橋梁博士分別建立計算模型。在兩套模型結(jié)果相近或一致的情況下，提取控制截面內(nèi)力、應(yīng)力及撓度理論結(jié)果。

右幅橋橋梁整體受力模型中將上下部結(jié)構(gòu)(含主梁及墩柱)劃分成121個梁單元。梁體的自重采用軟件中自帶的自重工況功能(自重系數(shù)為Z方向，值為-1)；其余二期鋪裝荷載及人行道構(gòu)件荷載均采用梁單元荷載進行模擬，車道荷載、人群荷載分別采用軟件自帶的車道功能按正、偏載進行施加；橫、縱向折減系數(shù)均為1.00。

主要計算參數(shù)如下：

計算跨徑：(54.5+100+54.5) m。

主梁C50混凝土：彈性模量E=3.45×104MPa、線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃、重度為25 kN/m3。

墩柱C40混凝土：彈性模量E=3.25×104MPa、線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃、重度為25 kN/m3。

全橋邊界條件采用以下方式：在墩底設(shè)置固定支座，限制節(jié)點處的轉(zhuǎn)動、平動共計6個方向的自由度；邊跨主梁端部設(shè)置活動支座，限制Z方向平動自由度，釋放其余方向轉(zhuǎn)動及平動自由度；主梁與墩柱處采用剛性連接進行處理，限制所有方向的轉(zhuǎn)動及平動自由度。理論計算模型如圖6、7所示，控制內(nèi)力及效率系數(shù)如表1所示。

他頭發(fā)上的豬油全蹭到我身上，我媽以為我去偷了東西，又追著我打了一頓，那把鏟子又壞了，我媽打累了，支使我去買把新鏟子，不然沒晚飯吃。

圖6 Midas/Civil計算模型

圖7 橋梁博士計算模型

表1 試驗工況、控制內(nèi)力、效率系數(shù)

4 試驗過程及測試結(jié)果

為了消除環(huán)境對試驗結(jié)果的影響，宜選擇溫度變化不大的凌晨或早上進行試驗。

由于應(yīng)變測試對溫度變化較為敏感，室外試驗應(yīng)采用半橋方式粘貼應(yīng)變片，以減小溫漂影響。

動載試驗時，橋梁附近不可有其他人為振動源。

4.1 試驗過程

荷載試驗開始前對稱重過的車輛進行編組，將配載車輛進行分組，分組完成之后按照以下順序?qū)ο鄳?yīng)工況進行試驗：

(1) 首先安排部分試驗車輛駛過橋梁，對結(jié)構(gòu)進行預(yù)載。

(2) 預(yù)載完成之后將所有車輛進行分級加載，加載完成待受力狀態(tài)穩(wěn)定后(加載完成后10 min內(nèi))開始采集檢測數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)采集完畢，對結(jié)構(gòu)進行卸載，待車輛離開橋面讀數(shù)穩(wěn)定后，采集卸載后的數(shù)據(jù)。

(4) 第一個工況完成之后依次按照第(2)、(3)步的順序進行下一個工況的試驗。

(5) 所有試驗工況完成之后，拆除應(yīng)變連接導(dǎo)線、檢測設(shè)備拆除，并將橋面遺留雜物清理干凈后離開試驗現(xiàn)場。

4.2 應(yīng)變測試結(jié)果

應(yīng)變采用無線靜態(tài)應(yīng)變儀進行采集。表2為部分工況下控制截面的應(yīng)變。

表2 工況1 下S1截面應(yīng)變結(jié)果

從測試結(jié)果來看:S1截面各測點應(yīng)力校驗系數(shù)處于0.39～0.82之間，小于規(guī)范限值(f1p≤1.0)的要求，主梁處于彈性工作狀態(tài)；卸載后最大相對殘余變形為7.03%，滿足規(guī)范要求。

4.3 撓度測試結(jié)果

撓度采用精密水準(zhǔn)儀進行測試。表3為部分工況下控制截面的撓度。

從測試結(jié)果來看:0～1跨各測點撓度校驗系數(shù)為0.52～0.75，小于規(guī)范限值(f1p≤1.0)的要求，主梁處于彈性工作狀態(tài)；卸載后最大相對殘余撓度為12.82%，滿足規(guī)范要求。

表3 工況1 撓度測試結(jié)果

4.4 裂縫測試結(jié)果

試驗前對控制截面進行外觀檢測，未發(fā)現(xiàn)控制截面處有裂縫存在。各工況加載、卸載后，控制截面均未發(fā)現(xiàn)混凝土有開裂現(xiàn)象。

4.5 動載試驗結(jié)果

在箱梁內(nèi)部布置加速度傳感器，對橋梁的振動信號進行采集，通過頻譜分析得到橋梁振動頻域曲線(圖8)，然后得到橋梁的1階自振頻率(表4)。

圖8 橋梁頻域曲線

將加速度傳感器采集到的行車余振時域曲線及剎車余振時域曲線進行波形分析，得到橋梁的阻尼比，如表4所示。

由表4可知：橋梁1階實測頻率值為1.286 Hz，大于計算值0.998 Hz，表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度；阻尼比平均值為0.013，屬小阻尼振動。

表4 阻尼比及頻率測試結(jié)果

5 結(jié)語

荷載試驗作為一種客觀和精密的檢測手段，能夠準(zhǔn)確地反映橋梁的受力狀態(tài)。檢測方案中，目標(biāo)參數(shù)的選取必須能夠反映橋梁的特征：比如應(yīng)變反映結(jié)構(gòu)強度、撓度反映結(jié)構(gòu)剛度等。試驗過程中，首先應(yīng)對外觀進行檢查，確定實際結(jié)構(gòu)的外觀病害狀態(tài)，然后進行預(yù)載，使橋梁進入工作狀態(tài)，然后對試驗加載及卸載過程中的目標(biāo)參數(shù)進行采集，用實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比，以此判別橋梁的實際強度、剛度及抗裂性。

另外，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)無法在箱梁內(nèi)部布置應(yīng)變測點時，可將測點布置在外表面。但結(jié)果評定時提取理論值的位置須與實際測點位置一致，且對測點布置在底板(頂板)頂面或底面而言，在某一工況下，底板的頂面和底面均位于截面中性軸的同一側(cè)(受拉區(qū)或受壓區(qū))，只是應(yīng)力數(shù)值大小區(qū)別而已，對結(jié)果評定沒有影響。振動信號測點布置亦是如此，測點處采集到的信號是對橋梁整體動態(tài)性能的反映，放在橋面或箱梁內(nèi)部均可作為橋梁動力性能評價的依據(jù)，對結(jié)果無影響。