馬底驛II號大橋動靜載試驗測試與分析

馮 星，孫常新

(1.湖南省交通科學研究院，長沙 410015;2.華北水利水電學院，鄭州 450011)

1 工程概況

常(德)吉(首)高速公路第13合同段K117+620馬底驛II號大橋平面部分位于半徑R=1 000 m的平曲線上，其上部構造為19～20 m的鋼筋混凝土空心板，先簡支后橋面連續。0號橋臺、19號橋臺設置GQF-Z80型伸縮縫，6號橋墩、12號橋墩設置 GQFMZL160型伸縮縫。下部構造采用雙柱式橋墩配樁基礎和擴大基礎，肋板臺配樁基礎，重力式橋臺配擴大基礎。本橋部分橋型布置見圖1。該橋主要參數如下:橋面凈寬為2×凈11 m;設計荷載為汽車—超20級，掛車—120;設計洪水頻率1/100;區域內地震強度為震動峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s。

為了檢驗該橋的承載能力及其使用功能是否符合設計標準，以保證建成后通車營運的可靠性，對該橋進行了橋梁靜動載試驗，通過荷載試驗:①了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，從而判斷橋梁結構的安全承載能力及評價橋梁的營運質量。②檢驗橋梁結構的設計和施工質量。③有助于發現在常規檢查中難以發現的隱蔽病害。④了解一些在理論上難以計算部位的受力狀態。

2 靜載試驗及結果分析

2.1 加載斷面的選擇及觀測方法

根據工程要求，選取該橋右幅共二個斷面作為加載斷面，全橋共二個工況，見圖1。具體為:

工況Ⅰ——右幅12#～13#墩跨中最大正彎矩，Ⅰ-Ⅰ截面加載;

工況Ⅱ——右幅13#墩支點最大負彎矩，Ⅱ-Ⅱ截面加載。

根據大橋結構和工程運行特點，檢測的試驗項目分別確定為:

1)應力觀測 應力觀測截面為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ共2個截面，試驗結構表面外貼應變計測試應力。所有元件均采用振動頻率檢測儀測試。觀測截面應力測點布置見圖2。

圖1 橋型布置

圖2 斷面應力測點布置

2)撓度觀測 撓度觀測為跨中、四分點和支座截面。在每個測試斷面上安置一把精密水準尺，用精密水準儀觀測。

3)試驗荷載作用下的裂縫觀測 在加載前后檢測各部位裂縫，重點檢測加載截面在試驗荷載作用下裂縫的產生和發展。裂縫長度用小鋼尺量測，裂縫寬度用刻度放大鏡觀測。

4)相對殘余變形(殘余應變)觀測 在各個工況下，加載到最大量級且變形穩定時，測讀相應控制測點變形值。卸載后變形穩定時，再讀控制測點變形值，并計算殘余變形。

5)墩臺沉降觀測 先在觀測墩臺上做好測點記號，在加載前用精密水準儀觀測各測點的高程，加載達到最大量級后觀測各測點高程，卸載達到穩定后再觀測一次。當試驗荷載作用下墩臺沉降較小，符合上部結構的檢算要求，卸載后變位基本回復，認為地基與基礎在檢算荷載下能正常工作。否則，墩臺沉降較大，卸載后變位不能回復時，應進一步對地基、基礎進行探查、檢算，必要時對地基基礎進行加固。

2.2 計算模型，試驗荷載及試驗方法

本橋分析模型采用有限元軟件進行空間分析，分析實體為solid45單元，計算模型 solid45單元尺寸橫橋向為0.4 m，縱橋向為1 m。按設計標準荷載計算加載汽車的車輛數量，各工況計算結果如表1，其中跨中截面加載工況如圖3所示。

采用的試驗方法為:①在試驗前，將加載汽車按計算的試驗荷載重量裝載，過磅稱重;②試驗荷載分4級逐級加載。在正式加載前、各量測儀表調零或初讀數。然后分級加載，每一級荷載加載完畢，等待結構變形穩定后，各量測儀表讀數。讀完數后，再加下一級荷載。當全部荷載加載完成并讀數后，按一次全部卸載，等待30 min，各量測儀表測讀結構的殘余變形。加載穩定時間取決于結構變位達到穩定所需的時間。同一級荷載內，結構最大變位測點在最后5 min內的變位增量小于前一個5 min變位增量的15%，或小于量測儀表的最小分辨值時，則認為結構變位達到相對穩定。在進行主要控制截面最大內力加載程序時，加載穩定時間不小于15 min。

表1 各工況加載計算結果一覽

圖3 跨中截面加載工況

2.3 靜載試驗結果分析

下面主要對I工況下12#～13#跨跨中的撓度與應力的計算值與實測值進行分析。表2給出了12#～13#跨(I工況)實測撓度與計算撓度的對比情況，從表中可以看出兩者有一定誤差，計算值一般較實測值大，這是因為理論計算模型一般比較簡單，建立模型時候沒有考慮鋼筋的影響，另外實際的混凝土彈性模量一般比理論上采用的值大。

表3給出了12#～13#跨跨中截面下緣應力的實測值和計算值，圖4給出了12#～13#跨跨中截面下緣應力—跨中彎矩曲線圖。從表中可以看出應力的實測值與計算值的比值在69%～76%之間。跨中截面下緣實測應力與跨中彎矩呈直線關系，且12#～13#跨跨中截面在同一彎矩作用下其下緣的實測應力值要小于計算的應力值。從加載時的裂縫觀測來看，在各工況加載試驗過程中，最大試驗荷載作用下加載截面及墩柱未出現任何裂縫。

總結靜載試驗下工況Ⅰ和工況Ⅱ的計算和實測分析結果，對本橋可得出如下結論:①本次選取跨中和支點共兩個截面進行了靜載試驗，試驗荷載效率系數均在0.85～1.05之間，滿足規范要求。②測量的彈性變形值與試驗荷載作用的理論值的比值分別為0.79和0.75，殘余變形和總變形的比值均小于0.2，最大變形值均小于規范允許值［Δ］=L/600，這說明在試驗荷載作用下測得的各指標均滿足規范要求。③應力實測值與計算值的比值在69%～76%之間，且在最大試驗荷載作用下加載截面及墩柱未出現裂縫。

表2 12#～13#跨(I工況)實測撓度與計算撓度 mm

表3 12#～13#跨跨中截面下緣實測應力與計算應力

圖4 12#～13#跨跨中截面下緣應力—跨中彎矩曲線

3 動載試驗及成果分析

3.1 測試項目及試驗方法

橋梁結構的動載試驗是研究橋梁結構的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯合振動特性。通過動載試驗，測量該橋的動力性能，該性能是判斷橋梁營運狀況和承載能力的重要指標之一。沖擊系數是確定車軸荷載對橋梁動力作用的重要技術參數，直接影響到橋梁設計的安全與經濟性能，實測并積累有關沖擊系數的數據，是橋跨結構動力荷載試驗的任務之一。

主要測試項目有:①測定橋梁結構在動力荷載作用下的受迫振動特性，如沖擊系數，頻率等;②測定橋梁結構的自振特性，如結構的自振頻率和阻尼特性等。

試驗方法如下:①橋梁受迫振動特性的試驗荷載采用1輛重車以30、40、50 km/h的不同車速通過橋梁，要求每次試驗時車輛在橋上的行駛速度保持不變;或在橋梁動力效應最大的檢測位置進行剎車試驗。②橋梁自振特性試驗是在預定激振位置，汽車后輪越過一根高15 cm的有坡面的橫木，車輪落下后立即停車;或者車輛通過橋梁后測量橋梁的余振。

3.2 試驗結果分析

圖5(a)為汽車以40 km/h的速度在橋上通過所測得的波形分析圖，圖5(b)為汽車在橋上的跳車波形分析圖。根據測試結果可以看出:①受迫振動頻率在6.608～8.564 Hz的范圍;②自振頻率:一階自振頻率為8.564 Hz。對比理論值指標均在橋梁結構的正常范圍內，說明該橋的動力性能滿足要求。

圖5 動載試驗波形

4 結論

根據該橋動靜載試驗測試數據與分析結果，可以得出如下結論:該橋強度、剛度和動力性能均滿足設計要求，在試驗荷載(達到設計值)作用下處于彈性工作狀態，主要指標(撓度和應力)實測值小于計算值，結構彈性恢復性能較好。因此，常吉高速公路 K117+620馬底驛II橋的承載能力滿足設計荷載汽車—超20級和掛車—120的營運要求。

［1］吳浪輝，馬保松，楊永貴.武漢白沙洲高架橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(12):15-17.

［2］中華人民共和國交通部.JTGD62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］中華人民共和國交通部公路司.JTGB01—2003 公路工程技術標準［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國建設部標準定額研究所.GB/T 50344—2004 建筑結構檢測技術標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.