三棵樹跨線橋靜動載試驗分析

張宏祥，劉 泉

（1.東北林業大學,黑龍江哈爾濱150040；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074）

0 序言

三棵樹跨線橋跨越三棵樹交通的鐵路干線，是哈爾濱通往賓縣、木蘭、通河等農業地區的通道，對支持工農業生產，方便群眾，保證安全等都有重大意義。該橋始建于1965年，已經運營多年，橋面鋪裝已發生嚴重破損，表面凹凸不平，各主梁之間橫向連接較弱，基本已失去作用，不能有效地傳遞剪力，出現單板受力現象，在車輛荷載作用下主梁橫向分布不均，個別底板梁底有縱向裂縫，最大的裂縫長達2.5 m，裂縫寬達0.3 mm，嚴重影響結構的耐久性。為了解該橋的實際技術狀況，對該橋進行了靜載和動載試驗。

1 靜載試驗與試驗結果分析

靜載試驗是橋梁結構檢測的一個主要內容，其目的是測試主橋結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，以評定橋梁現有技術狀況和實際承載能力，為大橋的維修與加固提供理論依據[1]。

1.1 加載工況和測點布置

該橋為裝配式預應力空心板簡支梁橋，共9孔，每孔16.8 m，全長151.20 m，橋梁橫斷面圖見圖1。根據該橋的結構特點和橋下交通情況，擬選定主橋東側方向10＃橋臺和9＃橋墩為靜載試驗孔，以減少支架搭設費用，同時把對交通的影響降至最低程度。選取試驗孔跨中斷面和9＃墩墩底為測試截面，見圖2。

該橋原設計荷載為汽-13，按照新橋規采用0.75倍的公路-Ⅱ級荷載作為設計荷載進行加載試驗。試驗根據設計標準荷載計算出各有關截面的變形和內力荷載效應[2]。試驗荷載車輛全部采用3軸汽車加載，按照各控制截面的內力和變形影響線，根據荷載效應等效原則[3]計算各試驗工況需要使用的汽車數量。各工況的試驗荷載效率見表1。

表1 各工況試驗荷載加載工況及其加載效率匯總表

在試驗孔跨中斷面梁底緣各設1塊百分表，共設11塊表。主梁混凝土應變測點布置于跨中截面1#邊梁的側面，沿梁高共設5個測點。應變采用JMZX-200X綜合測試儀、智能弦式數碼應變計進行測定，同時用千分表對電測結果進行校核。

在9#墩北側第1根和第6根柱東側方向，距底面50 cm處各設1塊百分表，共設2塊表。

1.2 試驗結果分析

1.2.1 試驗孔跨中截面撓度測試分析

在跨中截面2個加載工況中，跨中截面發生最大撓度的實測值與計算值的比值，即撓度校驗系數見表2。

表2 最大撓度實測值與計算值比較表

表2中的數據表明，在工況1和工況2試驗荷載作用下，試驗孔主梁的撓度校驗系數最大值分別為0.463和0.394，小于預應力混凝土梁橋撓度校驗系數η的常見值0.6～1.0的下限值。根據撓度試驗值，按除恒載因素外的短期荷載組合計算的長期撓度的試驗值與計算跨徑比值，均小于l/600。表2中數據亦表明在工況1試驗荷載作用下，實測的主梁撓度最大的是5#梁，而理論上應該是6＃梁，產生理論與實際相背離的主要原因是5＃梁與6＃梁無可靠的橫向連接。在工況2試驗荷載作用下，實測主梁的撓度分布規律與理論基本相符。

上述分析說明該梁的豎向剛度能夠滿足0.75倍的公路-II級荷載的設計和使用要求，且有一定的安全儲備。

試驗結果表明：在工況1和工況2試驗荷載作用下，試驗孔主梁跨中撓度的相對殘余變形均小于10%，表明橋跨結構基本處于彈性工作狀態。

1.2.2 試驗孔跨中截面應變測試分析

在工況1和工況2試驗荷載作用下，混凝土應變沿梁高分布基本呈線性分布。為減少試驗誤差，應用最小二乘法原理對各截面測點數據進行回歸分析，確定一條誤差較小的最佳試驗曲線，即沿梁高變化的直線方程。根據最佳試驗曲線，將應變乘以混凝土彈性模量，即得到相應測點的混凝土應力，工況1試驗荷載作用下1#梁和工況2試驗荷載作用下1#梁應變曲線見圖3和圖4。

根據試驗結果計算得到，混凝土應力校驗系數為0.267～0.711，跨中斷面混凝土應變沿梁高的變化基本符合受彎構件的平面假設。混凝土應力校驗系數最大值為0.711，介于預應力混凝土梁橋應力校驗系數常見值0.5～0.9之間，但接近于《公路橋梁承載力檢測評定規程》常見預應力混凝土梁橋的上限值。這說明該橋混凝土強度雖然能滿足0.75倍公路II級荷載的設計及使用要求，但安全儲備小。

1.2.3 試驗孔基礎沉降分析

在工況3和工況4試驗荷載作用下，試驗橋墩基礎最大沉降為0.035 mm，卸載后沉降全部恢復。因此，基礎在試驗荷載作用下能正常工作。

2 動載試驗與試驗結果分析

2.1 試驗概括加載工況和測點布置

動載試驗采用一輛試驗汽車作為動力試驗荷載，車重為16.42 t，用于跑車、剎車和跳車試驗。

跑車試驗時，試驗車在該橋的下行車道的中線位置進行單向行駛，行駛方向以市區方向往水泥廠方向行駛，分別以5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的車速均勻駛過橋面。剎車試驗，試驗車在該橋的下行車道的中線位置進行行駛，分別以20 km/h、30 km/h的車速均勻行駛，在進過控制斷面時由指揮人員給出剎車手勢，進行剎車試驗。跳車試驗時，將事先做好的三角墊木（高度為15 cm）放在控制斷面位置處，試驗車后輪壓在三角墊木上，使車輪突然下落給橋面一瞬間沖擊力。

根據該橋的結構特點和主梁的裂縫情況，選定1號臺至2號墩之間的邊跨為試驗孔，跨中斷面作為這次動載試驗的控制斷面。

在試驗孔跨中斷面的橋面一側防撞墻內側10 cm，設置一個豎向速度計，和一個縱橋向速度傳感器作為動態特性測點。在試驗孔跨中斷面的的邊梁（1＃主梁）及中主梁（5＃主梁）的梁底緣分別設置一個混凝土動撓度測點作為動力響應測點。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 自振頻率f0測試

跑車試驗時，當荷載試驗車輛駛離試驗橋跨后，由于慣性的作用試驗橋跨結構的振動不會立即恢復到平衡位置，仍在自振。在進行跳車試驗時，突然施加于橋面的沖擊荷載激起橋跨結構產生自由振動。但由于阻尼作用的存在，消耗了振動的能量，結果振動在不長的時間內逐漸衰減，直到橋跨結構恢復到穩定平衡位置為止。

利用放置在試驗孔橋面上的速度傳感器測得沖擊荷載下橋跨結構自由衰減振動的時域曲線。對采集到的時間歷程圖波形進行頻譜分析，獲得自振頻率f0=4.11 Hz，跳車試驗荷載作用下試驗測試斷面豎向固有頻率圖與時間歷程圖見圖5。

理論計算所得的主梁自振頻率f0=4.12 Hz（未考慮橋面鋪裝作用，僅計算主梁的自振頻率），實測數據與理論數據十分接近，表明實際結構的整體性比較差。

在進行動荷載剎車試驗時，分別以20 km/h、30 km/h的車速均勻行駛，實測縱向固有頻率圖見圖6和圖7。分析所得三棵樹跨線橋縱向固有頻率依次為 f20=3.82 Hz；f30=4.01 Hz。

2.2.2 阻尼特性測試

橋梁在振動過程中，除受介質阻尼作用外，還受材料內部阻尼、支座摩擦等作用影響。阻尼作用可對結構振動起到衰減作用，這對降低動荷載的動力作用、減少結構材料的疲勞破損是有利的。通過利用放置在試驗孔橋面上的速度傳感器測得跑車作用下橋跨結構自由衰減振動的時域曲線，對采集到的時間歷程圖波形進行分析，無負載阻尼特性值ζ1=0.076 5，試驗采集數據圖見圖8。

結構的實測阻尼比0.076 5，而橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%，這說明橋跨結構具有較大的阻尼，對減少結構振動是有利的。

2.2.3 沖擊系數測試

不同車速的測試斷面處的沖擊系數見表3，分析沖擊系數與車速之間的相關關系見圖9。

表3 不同車速下沖擊系數1+μ試驗數據表

按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）計算的沖擊系數為1.234 5，實測的沖擊系數較大，主要是橋面不平整所致。

3 結論

通過對該橋進行靜動載試驗得出如下結論：

（1）在試驗荷載作用下，試驗孔主梁的撓度校驗系數最大值為0.463，均小于預應力混凝土梁橋撓度校驗系數η的常見值0.6～1.0的下限值。說明該梁的豎向剛度滿足0.75倍的公路II級荷載的設計和使用要求，且有一定的安全儲備，撓度相對殘余變形均小于10%，橋跨結構基本處于彈性工作狀態。

（2）主梁混凝土應變分析表明，控制斷面混凝土應變沿梁高的變化基本符合受彎構件的平面假設。主梁混凝土應力校驗系數最大值為0.711，接近于常見預應力混凝土梁橋的上限值。這說明該橋混凝土強度能滿足0.75倍公路II級荷載的設計及使用要求。

（3）沖擊荷載下橋跨結構自振頻率f0=4.11 Hz與理論計算所得的主梁自振頻率f0=4.12 Hz十分接近。

（4）跑車作用下橋跨結構的實測阻尼比ζ1=0.0765，橋梁常見阻尼比范圍在0.22%～5.73%。這說明橋跨結構有較大的阻尼，對減少結構振動有利。

（5）不同車速下的沖擊系數的實測結果表明，該橋具有較大的沖擊系數。沖擊系數隨車速的增大而增大，在時速為40 km/h時，沖擊系數達1.331，表明該橋具有較大振動。這主要是由于橋面破損，橋面平整度差所致。

綜上所述，主梁跨中斷面的抗彎承載力和豎向剛度均能夠滿足0.75倍的公路Ⅱ級荷載的設計和使用要求，但不能滿足公路Ⅱ級荷載的設計和使用要求。該橋橋面破損嚴重，鉸縫失效，空心板處于單板受力，存在嚴重的安全隱患，且該橋年久失修，漏水嚴重，橋梁耐久性不足。為保證交通安全，對該橋提出以下幾點建議：

（1）該橋設計荷載等級低，已不能滿足日益增長的交通量及重交通的使用要求，存在安全隱患，建議重建。

（2）如不能及時重建，在臨時通車期間，為保證安全，應采取相應的安全措施：

應限重通行，限重的標準為0.75倍的公路II級汽車荷載；應對過往的車輛限速，車速不超過30 km/h；拆除原有的橋面鋪裝，恢復主梁鉸縫處的橫向連接鋼筋，加鋪15 cm×15 cm的直徑12 mm的橋面鋪裝鋼筋網，重新澆注混凝土橋面；油毛氈支座失效，建議更換為橡膠支座。

（3）如無重建的可能，也可考慮對該橋進行體外預應力加固方案。

[1]宋一凡，賀拴海.公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2000.