鹿俊杰，趙 青

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

荷載試驗是評估橋梁能否投入使用的檢驗評定手段，在既有橋梁和新建橋梁中有著廣泛的應(yīng)用和研究，理論方法已經(jīng)趨于成熟[1].荷載試驗?zāi)芸茖W(xué)地評估橋梁結(jié)構(gòu)性能及承載能力，對橋梁的安全檢測至關(guān)重要，是判斷其能否安全運營的重要手段[2-3].荷載試驗不僅能了解橋梁工作狀況等，更重要的是能驗證理論計算結(jié)果的科學(xué)性.同時，荷載試驗也為橋梁后期投入使用的管理和養(yǎng)護提供重要數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)[4-5].本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋為例，用荷載試驗和有限元軟件分析相結(jié)合的方法，判斷該橋梁能否安全穩(wěn)定的運營，也為其后期管理和養(yǎng)護提供參考和理論依據(jù).

1 工程概況

某城市連續(xù)剛構(gòu)橋是上部結(jié)構(gòu)為(85+150+85)m 的3跨連續(xù)梁橋，橋梁的總長度為320 m，主跨長度為150 m.大橋采用單箱單室結(jié)構(gòu)，其橋?qū)挒?2.25 m，兩邊對稱設(shè)置0.5 m的欄桿，中間是11.25 m的行車道.設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級；設(shè)計車速80 km/h.其下部結(jié)構(gòu)分別采用規(guī)格為8.5 m×1.6 m的2根矩型柱墩、17 m×4 m重力式矩形承臺、2.5 m×2 m樁基礎(chǔ).箱梁考慮承載能力的要求采用 C55混凝土，墩柱考慮抗壓能力要求采用C40混凝土.

2 模型建立

2.1 有限元模型

應(yīng)用有限元軟件Midas/Civil建立計算模型，該模型共有467個節(jié)點、156個單元.計算模型如圖1所示.

圖1 有限元計算模型

2.2 測試截面

為制定后續(xù)荷載試驗方案，通過模型模擬出設(shè)計荷載下大橋的彎距包絡(luò)圖，如圖2所示.同時也要參考活載下大橋的最小位移等值線圖的情況，如圖3所示.測試截面的選取決定了荷載試驗的最終結(jié)果，通常選取最不利狀態(tài)位置.通過觀察彎距包絡(luò)圖的特點，最終分析得到3個測試截面，分別為：第1跨最大正彎矩截面K1、主墩墩頂最大負彎矩截面K2、第2跨跨中截面K3.該3個測試截面如圖4所示.

圖2 設(shè)計荷載下彎距包絡(luò)圖(單位：N·mm)

圖3 活載下最小位移等值線(單位：mm)

圖4 測試截面

2.3 試驗荷載工況

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點分為3個試驗工況：第1跨最大正彎矩工況(工況1)；墩頂最大負彎矩工況(工況2)；第2跨最大正彎矩工況(工況3).3個試驗工況皆為對稱加載，測試內(nèi)容分別為：工況1測試撓度和應(yīng)變；工況2只測試應(yīng)變；工況3測試撓度和應(yīng)變.

2.4 橋梁特征值分析

通過有限元模型分析得出結(jié)構(gòu)特性值，共計3階振型，如圖5所示.由圖5可得：3階振型頻率分別為f1=0.478 Hz、f2=0.887 Hz、f3=1.188 Hz；周期分別為T1=2.091 s、T2=1.128 s、T3=0.842 s.

(a) 1階振型

(b) 2階振型

(c) 3階振型圖5 不同振型結(jié)構(gòu)特性值(單位：N·mm)

3 靜載試驗

3.1 測點布置

靜載試驗是指在設(shè)計好的位置布置靜止荷載的試驗，是最直接的一種試驗方式，可以直接通過設(shè)備收集到結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變等[6-8].通過實測的數(shù)據(jù)分析出試驗效率和校驗系數(shù)的取值范圍，結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范作出定性的判斷[9-11].靜載試驗下應(yīng)變測點分別在3個測試截面箱梁內(nèi)部均勻安置10個測點位置.在測點位置上粘貼電阻應(yīng)變片，在粘貼過程中要和受力方向相同.而撓度測點分別在相應(yīng)測試截面頂部表面均勻安置3個.測點布置如圖6所示.

圖6 測點布置

3.2 試驗荷載及其布置

加載車輛單重為460 kN，試驗荷載采用對稱加載方式，4排2列，一共采用8輛車進行加載.試驗采用逐級遞加的加載方式，一共分為3級，第1級布置2輛加載車，第2級布置4輛加載車，第3級布置8輛加載車.

3.3 靜載試驗數(shù)據(jù)

3.3.1 試驗荷載效率分析

用8臺單重460 kN的加載車輛作用在3個試驗工況截面上，獲取實測內(nèi)力.然后根據(jù)理論內(nèi)力和實測內(nèi)力計算出相應(yīng)的試驗效率，如表1所示.由表1可知，試驗效率范圍在0.93～1.02之間，可以得出試驗較為真實地反映了荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能.

表1 試驗荷載效率

3.3.2 撓度分析

測試截面所得的實測撓度值是由彈性撓度和殘余撓度組成，與理論值的分析比較情況見表2所示.由表2可知，工況1下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)在0.56～0.63范圍內(nèi)，工況3下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)在0.58～0.71范圍內(nèi)，由以上數(shù)據(jù)可以得出橋梁結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計安全要求.

表2 撓度結(jié)果評定

3.3.3 應(yīng)變分析

在不同工況下，不同截面所測得的實測應(yīng)變值與理論值情況如表3所示.其中應(yīng)變的實測值由彈性應(yīng)變和殘余應(yīng)變組成.由表3可知：工況1下應(yīng)變校驗系數(shù)在0.67～0.80范圍內(nèi)；工況2下應(yīng)變校驗系數(shù)在0.63～0.76范圍內(nèi)；工況3下應(yīng)變校驗系數(shù)在0.65～0.81范圍內(nèi).由以上數(shù)據(jù)可以得出橋梁結(jié)構(gòu)強度符合設(shè)計安全要求.

表3 應(yīng)變結(jié)果評定

4 動載試驗

4.1 測試截面

動載試驗采用車輛振動理論，相比靜載試驗更能真實地反應(yīng)橋梁后期投入使用的承載力情況.試驗分自振特性試驗和有無障礙行車情況下的試驗，共計3個試驗.其中自振特性試驗測試自振頻率等固有振動特性，有無障礙行車2種情況下的試驗都是使用1輛測試車在橋中軸線上行駛所產(chǎn)生的動力特性和動力響應(yīng).通過實測的數(shù)據(jù)分析出振型頻率和沖擊系數(shù)的取值范圍，結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范作出定性的判斷.動載試驗選取第1跨最大正彎矩截面K1，第2跨最大正彎矩K3截面，即2跨截面進行試驗.

4.2 測點布置

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點和動載試驗要求，自振特性試驗沿橋跨長度方向上對稱布置測點.而有、無障礙行車2種情況下的試驗分別在第1跨最大正彎矩截面K1、第二跨最大正彎矩K3截面箱梁內(nèi)部的頂部及底部各對稱放置2個動應(yīng)變測點.

4.3 動載試驗數(shù)據(jù)

4.3.1 自振特性

通過理論計算結(jié)果已經(jīng)得出3階振型頻率分別為f1=0.478 Hz、f2=0.887 Hz、f3=1.188 Hz，然后根據(jù)動載試驗收集到3階振型頻率的實測值分別為f1=0.651 Hz、f2=1.134 Hz、f3=1.426 Hz.頻率比值和阻尼比如表4所示.

表4 頻率比值和阻尼比

4.3.2 無障礙行車

無障礙行車試驗測試K1、K3截面在加載車輛車速為20、40、60 km/h下的沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)情況見表5.通過表5發(fā)現(xiàn)：K1截面真實測得的沖擊系數(shù)分布在0.122～0.311范圍內(nèi)；K3截面真實測得的沖擊系數(shù)分布在0.043～0.049范圍內(nèi)；實測值在理論值0.050左右波動，屬于正?，F(xiàn)象.

表5 無障礙行車下沖擊系數(shù)

4.3.3 有障礙行車

有障礙行車試驗測試K1、K3截面在加載車輛車速為5、10、15 km/h下的沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)情況見表6.通過表6發(fā)現(xiàn)：K1截面真實測得的沖擊系數(shù)分布在0.648～0.986范圍內(nèi)；K3截面真實測得的沖擊系數(shù)分布在0.131～0.172范圍內(nèi)；實測值皆大于理論值0.050，表明較無障礙行車試驗相比影響更大，但是沖擊系數(shù)都在安全范圍內(nèi).

表6 有障礙行車下沖擊系數(shù)

5 結(jié)論

1) 靜載試驗中，分析得出試驗效率范圍在0.93～1.02之間，表明靜載試驗較為真實地反映了荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能.工況1和工況2下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)在0.56～0.71范圍內(nèi)，工況1、工況2和工況3下應(yīng)變校驗系數(shù)在0.63～0.81范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)處于彈性階段，符合設(shè)計安全要求.

2) 動載試驗中，對比得出實測自振頻率都較大，表明結(jié)構(gòu)實際剛度較大，振動能力較強.有、無障礙行車2種試驗情況下得到的沖擊系數(shù)都在安全范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)動力性能很好.

3) 通過試驗分析表明，該橋具備很好的剛度，滿足設(shè)計標準，符合安全使用要求.