李寧波，束慶東， 朱清帥，程 才，李 萌

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230601；2.蘇交科集團股份有限公司，南京 210000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)承載能力是實際工程中橋梁結(jié)構(gòu)是否安全的重要指標，因此橋梁承載能力評估對于既有橋梁性能判斷十分重要[1]。傳統(tǒng)的橋梁承載能力評估設(shè)計方法往往依賴于經(jīng)驗公式和規(guī)范規(guī)定，可能無法完全捕捉實際工作條件和材料特性。因此，研究采用靜、動荷載試驗直接測量和觀察橋梁在實際荷載條件下的響應情況，使評估結(jié)果更加準確可靠。

國內(nèi)外學者圍繞靜動載試驗與橋梁承載能力評定的關(guān)系開展了相關(guān)的研究，Gara 等[2]通過貨車加載研究動力對橋梁模態(tài)參數(shù)的影響情況，在靜載試驗中對橋梁進行動力監(jiān)測，并提出了相應的橋梁監(jiān)測措施和建議。Cao 等[3]基于動態(tài)數(shù)據(jù)對橋梁靜載試驗進行了識別，為橋梁的設(shè)計和施工提供參考。Gara 等[4]對高架橋進行了振動載荷試驗，分析在不同荷載作用下振動對橋梁土與結(jié)構(gòu)耦合的影響情況，為該種類型的橋梁設(shè)計和橋梁施工提供參考依據(jù)。Sun 等[5]通過移動車輛加載評估連續(xù)梁橋的承載能力，并證實此方法在評估方面的有效性。謝開仲等[6]通過試驗分析關(guān)鍵拱肋截面處的靜動力特性，包括振動頻率、位移和內(nèi)力、振動阻尼比和沖擊系數(shù)等參數(shù)。進一步證實了橋梁的工作狀態(tài)和各項力學性能符合規(guī)范和設(shè)計要求。Zheng 等[7]對大跨橋梁進行橋梁對有限車輛的承載能力評估，提出了更好更快的評估承載能力的措施和建議。李永河等[8]認為需要明確采取靜載試驗檢測對策、動載試驗檢測對策以及荷載試驗的對象，以保證荷載試驗的檢測使用效果。朱利明等[9]綜合橋面構(gòu)造物、混凝土彈性模量偏差以及活動支座摩阻力3 種因素對橋梁模型進行修正，并分析對比各模型修正前后計算值與實測值對模型的影響，為進一步研究橋梁有限元模型修正在荷載試驗方面的作用提供了新思路。Shi 等[10]對空心FRP 混凝土鋼橋靜動載試驗進行分析，并通過有限元建模分析，可以為今后的橋梁設(shè)計和施工提供有益的參考和指導。Paraskeva 等[11]研究地震作用下橋車動力作用，綜合靜載試驗、動載試驗和有限元分析的結(jié)果，可以全面評估橋梁在不同荷載形式下的承載能力和結(jié)構(gòu)安全性。這些方法的應用使得工程師能夠更好地理解橋梁的行為，優(yōu)化設(shè)計方案，并提供更可靠的橋梁結(jié)構(gòu)[12-14]。動荷載試驗是評估運營橋梁整體工作狀態(tài)和新建橋梁是否符合設(shè)計要求的重要手段。它是對橋梁靜荷載試驗的補充和發(fā)展，兩者相互補充，能夠用于準確診斷橋梁結(jié)構(gòu)的強度和剛度[15-17]。上述研究多為通過靜動載試驗對梁橋、斜拉橋進行分析研究，對于中承式鋼筋混凝土系桿拱橋進行靜動荷載試驗案例較為罕見。

既有橋梁的承載能力評估是建立和完善橋梁管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。而采用橋梁靜動載試驗評估橋梁的承載能力已成為橋梁安全性、可靠性與耐久性研究的熱門課題[18]。本研究使用大型加載設(shè)備或重型車輛將橋梁的結(jié)構(gòu)加載到不同的荷載水平，測量橋梁的變形和應變響應，評估橋梁在不同靜態(tài)荷載下的穩(wěn)定性和承載能力；并利用行駛在橋梁上的車輛模擬不同類型的動態(tài)荷載，通過測量橋梁在不同荷載下的振動響應，評估橋梁在實際使用情況下的動態(tài)承載能力，為橋梁的承載能力評估提供科學依據(jù)和技術(shù)支持。

1 橋梁的靜動載試驗

橋梁靜動載試驗是通過施加不同的靜態(tài)和動態(tài)載荷到橋梁上，是評估其結(jié)構(gòu)的性能和響應的測試方法。此試驗可模擬在役橋梁所承受的荷載，并檢測橋梁在荷載作用下的變形、振動和應力情況。通過試驗，可獲取橋梁在各種荷載作用下的實際工作性能數(shù)據(jù)。

橋梁靜動載試驗可以提供實際荷載下橋梁的響應數(shù)據(jù)，例如變形、振動和應力等。這些數(shù)據(jù)可用于驗證設(shè)計計算的準確性，并用與評估在役橋梁的承載能力。通過橋梁靜動載試驗所得到的數(shù)據(jù)，可提供更準確的參數(shù)和輸入條件，用于評估橋梁的實際承載能力。例如靜載試驗效率可以用來評估試驗荷載是否能夠準確地模擬設(shè)計荷載的作用效果。靜載試驗效率為：

式（1）中：μ為規(guī)范沖擊系數(shù)；Ss為靜載試驗下最大計算效應值；S'為最不利效應值。

梁表面應變:

式（2）中：a 是被測結(jié)構(gòu)物線膨脹系數(shù)（10-6/℃）；b 是表面計溫度修正系數(shù)（10-6/℃）；k 是最小表面應變計讀數(shù)值（c/F）；F 是實時表面計測量值（F）；F0為表面計基準值（F）；T0是基準溫度值（℃）；T 是實時測量溫度值（℃）。

測點變位與應變的計算:

總變位（或總應變）

彈性變位（或彈性應變）

殘余變位（或殘余應變）

式（3）-（5）中：在這種情況下，Sl表示加載達到穩(wěn)定狀態(tài)時的測量值，Su表示卸載后達到穩(wěn)定狀態(tài)時的測量值，Si表示加載前的測量值。

結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)ζ 如式。

式（6）中：Se為彈性變位；Ss為應變值。

當ζ 值小于1 時，代表橋梁表現(xiàn)優(yōu)良，滿足要求。理論計算通常偏向安全，以確保結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備余量。

式（7）中：Sp為主要測點的殘余應變實測值；St為主要測點的總應變實測值。值越小，表明結(jié)構(gòu)在試驗荷載下的計算效應與設(shè)計控制效應相近，符合彈性力學的工作原理。因此，當這個參數(shù)接近于1 時，可以認為結(jié)構(gòu)越接近于彈性工作狀況，一般要求值小于20%。

橋梁靜動載試驗可以為橋梁承載能力評估提供有關(guān)橋梁實際響應和行為的數(shù)據(jù)，從而提高評估的準確性和可靠性。

2 荷載試驗設(shè)計

2.1 試驗測試內(nèi)容

針對橋梁結(jié)構(gòu)特點，進行以下試驗內(nèi)容：（1）拱頂最大軸力截面應力（應變）及撓度；（2）拱肋四分點最大軸力截面應力（應變）及撓度；（3）拱腳處最大負彎矩截面應力（應變）；（4）邊拱附近截面處最大正彎矩彎矩截面應力（應變）及撓度；（5）梁體裂縫開展情況，混凝土裂縫是結(jié)構(gòu)抗裂性的一個重要指標，包括初始裂縫的出現(xiàn)時間，裂縫的寬度、長度、位置、方向、形狀以及卸載后的閉合情況。

2.2 加載工況及測點布置方案

根據(jù)各試驗工況加載車輛的數(shù)量進行分級加載，在前一荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)應變或變位相對穩(wěn)定后，方可進入下一荷載階段。根據(jù)等效荷載模擬分析，確定橋梁分2～4 級逐步加載。

加卸載穩(wěn)定時間取決于結(jié)構(gòu)變位達到穩(wěn)定所需的時間。要求在前一荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)變位相對穩(wěn)定后，方可進入下一荷載階段。同一級荷載內(nèi)，結(jié)構(gòu)最大變位測點在最后5 min 內(nèi)的變位增量小于第1 個5 min 變位增量的15%，或小于量測儀器的最小分辨率值時，則認為結(jié)構(gòu)變位達到相對穩(wěn)定。但當進行主要控制截面最大內(nèi)力加載程序時，加卸載穩(wěn)定時間不少于15 min。

測試斷面布置在橋跨四分點處，分上下游2 條測線布置測點。從不同測點中選取4 個工況，其中11#、12# 孔位置如圖1 主橋立面圖所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

靜載試驗旨在對橋梁特定部位施加靜態(tài)荷載，并測量靜力位移、靜力應變等參數(shù)，以評估橋梁在荷載作用下的工作性能和可承載能力。這種評估有助于檢驗橋梁的結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，提供改進設(shè)計方案的依據(jù)，確保橋梁的安全性和可靠性。

3 工程實況

某系桿拱橋主橋立面圖如圖1 所示雙向四車道，橋長553 m。橋面系為混凝土鋪裝層，采用型鋼伸縮縫。上部結(jié)構(gòu)為自錨中承式鋼管混凝土系桿拱，現(xiàn)澆鋼混連續(xù)箱梁；引橋采用圓板式橡膠支座，橋臺采用板式橡膠支座。主橋系桿采用無粘結(jié)預應力筋19×Φ15.24 型，選用OVM15-19 型錨頭。樁柱式橋墩作為下部結(jié)構(gòu)，采取鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺部分采用薄壁式鋼筋混凝土輕型結(jié)構(gòu)，同樣采取鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

試驗案例對象為中承式鋼管混凝土系桿拱橋，針對該結(jié)構(gòu)特點，將按照橋梁設(shè)計荷載汽超－20 級進行加載，并且按照規(guī)定的加載方法進行操作。這樣可以更真實地模擬橋梁在實際使用中所承受的荷載情況，為評估橋梁的承載能力提供準確的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

在本研究中，采用應變傳感器來測量橋梁結(jié)構(gòu)各個控制截面在荷載作用下的應變。同時，利用變形觀測控制網(wǎng)來監(jiān)測拱肋的變形情況，并借助精密水準儀觀測橋面在荷載作用下的變形情況?？梢蕴峁蚀_的應變和位移數(shù)據(jù)，以評估橋梁在荷載作用下的變形和響應情況。試驗前，先對某系桿拱橋進行測點布置，具體布置示意如圖2 所示。

4 實橋橋梁試驗

4.1 靜載試驗

全橋共分4 個試驗工況，表1 介紹了4 個試驗工況下不同的試驗項目和測試內(nèi)容。滿載作用下的工況1、工況2 及工況4，實測撓度校驗系數(shù)為0.51～0.67，實測撓度均小于計算值，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足設(shè)計要求，卸載后，測試截面測點的最大相對殘余變形小于20%，表明結(jié)構(gòu)控制截面在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

表1 靜載試驗各部位測試內(nèi)容

將工況1、2 靜載試驗東西側(cè)撓度測試結(jié)果于表2 中體現(xiàn)。根據(jù)測試結(jié)果荷載-位移曲線如圖3～4 所示，在工況1 和工況2 的荷載作用下，各截面上各個測點的實測應力校驗系數(shù)為0.50～0.62，實測值均小于計算值，分析可得控制截面在不同靜態(tài)荷載作用下維持穩(wěn)定性。在卸載后，測試截面的相對殘余應力值最大為19.5%，這表明結(jié)構(gòu)的各個控制截面在試驗過程中承載能力達到規(guī)范標準。

表2 靜載試驗撓度測試結(jié)果（東側(cè)偏載分級加載）

圖3 拱橋工況1 荷載-位移曲線

圖4 拱橋工況2 荷載-位移曲線

具體的測試結(jié)果可以參考表3 至表6，其中拉應力為正，壓應力為負。從測試結(jié)果分析得，在撓度控制截面的實測撓度校驗系數(shù)范圍為0.51～0.67 之間。實測值小于計算值，結(jié)構(gòu)的豎向剛度滿足設(shè)計要求。主要測點靜載試驗校驗系數(shù)小于1。此外，實測的相對殘余變形最大為19.5%，說明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。在主要試驗工況下，主跨和邊跨的實測撓度曲線平穩(wěn)，并且撓度的變化符合結(jié)構(gòu)受力特點。

表3 東側(cè)2 級偏載加載下各工況應變測試結(jié)果

表4 東側(cè)4 級偏載加載下各工況應變測試結(jié)果

表5 西側(cè)2 級偏載加載下各工況應變測試結(jié)果

表6 西側(cè)4 級偏載加載下各工況應變測試結(jié)果

應力控制截面的實測應力校驗系數(shù)為0.50～0.62，實測值均小于計算值，分析得結(jié)構(gòu)強度符合設(shè)計要求。此外，實測的相對殘余應力最大為19.5%，說明結(jié)構(gòu)處于良好的承載工作狀態(tài)。

4.2 動載試驗

在脈動測試中，對各測點的速度信號進行了分次采集。圖5 是部分典型測點的時域波形圖和自功率譜：通過這些時域波形圖和自功率譜，可以分析測點的振動特性和頻譜分布，從而評估結(jié)構(gòu)在脈動荷載下的動態(tài)響應。

通過對上述采集的各測點時域波形圖進行傳函分析和模態(tài)擬合，可以得出橋梁的自振頻率和阻尼比。具體的結(jié)果見表7。其中，實測值是所有測點通過子空間法擬合計算結(jié)果。其實測振型與理論振型如圖6 所示。

表7 自振特性實測值與理論計算值對比

圖6 實測振型與理論振型對比圖

通過測量可得表8動載工況下的實測沖擊系數(shù)。

表8 車輛激勵試驗實測沖擊系數(shù)表

通過模態(tài)試驗實測的各階頻率和理論計算值對比，可知實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的比值為1.05～1.15，兩者比值大于1，充分反映了結(jié)構(gòu)的實際動態(tài)特性，表明橋梁在實際使用中具有更好的剛度和振動特性，符合設(shè)計的要求；一階自振頻率的實測值為0.830 Hz，作為結(jié)構(gòu)的固有特性和整體剛度的反映，該特征參數(shù)將成為今后檢測和評估結(jié)構(gòu)性能的重要參考指標。

在不同速度勻速跑車作用下，各測點的動應變測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定。實測的最大沖擊系數(shù)為0.045（30 km/h），根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[1]中規(guī)定的計算沖擊系數(shù)，當頻率f ＜1.5 Hz 時，沖擊系數(shù)μ=0.05，表明在正常行駛下，動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

這些測試結(jié)果強調(diào)了動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的重要性，并需要在設(shè)計和評估過程中充分考慮這些沖擊效應。對于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，必須仔細評估和控制這些實際動荷載所帶來的沖擊影響。

5 結(jié)論

本研究對中承式鋼筋混凝土系桿拱橋進行了靜載、動載試驗，根據(jù)荷載與橋梁的動態(tài)響應特性來評價橋梁的承載能力，通過靜動載試驗數(shù)據(jù)以及觀測評估的結(jié)果得出以下主要結(jié)論：

（1）撓度控制截面實測的撓度校驗系數(shù)為0.51～0.67，實測的最大相對殘余變形小于20%，反映了撓度變化規(guī)律符合結(jié)構(gòu)受力特點。

（2）通過模態(tài)試驗實測的各階頻率和理論計算值對比，可知實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的比值為1.05～1.15，兩者比值大于1，充分反映了結(jié)構(gòu)的實際動態(tài)特性。一階自振頻率的實測值為0.830 Hz，自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

（3）各測點在不同速度勻速跑車作用下的動應變測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定。實測的最大沖擊系數(shù)為0.045（30 km/h），表明動荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊較小。

本荷載試驗結(jié)果表明：該系桿拱橋正常使用狀態(tài)下的承載能力滿足試驗荷載（汽車-20 級）的通行要求。因此，試驗研究成果具有一定的理論和實踐意義。靜動載試驗作為一種有效的橋梁結(jié)構(gòu)試驗方法，有助于評估橋梁的安全性、穩(wěn)定性和其他性能，并指導工程實踐和改進設(shè)計。