五跨連續剛構橋承載力評定

王月華，丁漢飛

由于各種車輛特別是重型車的迅速增多，導致橋梁在運營過程中的負荷日益加重，不可避免地會產生結構損傷，使其承載力降低，因此，為切實了解新建橋梁的承載力性能和建成后的使用狀態，需要對橋梁進行試驗研究，根據設計荷載的要求制定試驗方案，測定橋梁在試驗荷載作用下的實際工作性能和承載力，進而評價橋梁的施工質量。

1 工程概況

浙江某城市剛構橋采用縱向布置為雙幅35m＋52m×3＋35m的五跨連續結構，兩側引橋采用2×20m連續梁；橫向采用東、西分離式兩箱四室結構的箱梁橫斷面形式，箱梁頂寬22.1m，底寬2×7.5m，翼緣寬1.5m。梁高沿跨徑按圓曲線變化，跨中及端支點處梁高1.3m，高跨比為1/40，主梁與V型墩相接處梁高2.4m，高跨比為1/21.7。箱梁采用縱向預應力體系，在在V墩縱向南北各7m范圍內的邊腹板及中腹板處布置豎向預應力筋。主橋上部、V墩采用C55砼，引橋箱梁采用C50、承臺采用C30砼，橋墩采用C30砼，主橋鉆孔灌注樁采用C35水下砼，引橋鉆孔灌注樁采用C25水下砼。該橋荷載等級為城-A級。

2 靜載試驗

2.1 測試截面的確定和測點布置

靜載試驗的目的主要是測定橋跨結構的靜應變、靜撓度等靜力效應。

確定應變測試截面的原則是將橋跨結構在設計荷載下內力最不利的截面作為測試截面。因此，按照橋梁資料和參考文獻[1]中有關規定，對該橋的整體結構進行了分析計算，使用橋梁專用程序MIDAS分別繪出了橋梁的有限元分析模型和結構內力包絡圖如圖1-4所示，由包絡圖即可確定橋跨結構在活載作用下最不利彎矩的具體位置[2,3]。

根據結構受力特點并結合外觀檢測結果，本橋選取西幅橋進行承載力試驗，經分析確定內力最不利測試工況及其對應的各試驗檢測控制截面位置和控制內力見表1和圖5。

為了分析主梁在試驗荷載下的混凝土應變和撓度狀況，在截面1-1處和2-2處橫橋向各設置6個應變測點和6個撓度測試點，測取試驗荷載產生最大響應處的撓度與應變，測試截面位置及測試內容見表2，測試截面位置及測點位置布置見圖5、圖6。

表1 控制截面位置及控制內力

表2 測試截面位置及測試內容

2.2 試驗工況

本試驗采用八輛加載車并取其平均車重作為試驗荷載進行計算分析，即前軸重56.9KN，中軸重 122.1KN，后軸重 122.8KN，車總重為301.8KN。與測試內容相對應，在此試驗荷載作用下，確定測試工況與工況布載。見圖7-11。

2.3 試驗效率驗算

根據參考文獻[4,5]的建議與要求，靜載試驗效率ηq=Ssat/(S×δ)，其取值范圍為1.05≥η≥0.8。式中Ssat表示試驗荷載作用下檢驗部位變位或力的計算值；S表示設計標準活荷載作用下檢驗部位變位或力的計算值；δ表示動力系數。根據參考文獻[1]的規定，標準荷載效應三車道橫向折減系數為0.8，四車道橫向折減系數為0.67。按照本橋梁設計荷載等級，分別計算標準荷載效應和試驗車輛荷載作用下的荷載效應（控制截面最不利彎矩），由此得到各工況下的靜載試驗效率，具體計算結果見表3。

表3 各試驗工況靜載試驗效率

2.4 撓度、應變計算值及試驗值對比

通過靜載試驗，可得到各加載工況下各測點的撓度計算值、實測值及其對比值，以及各工況下各測點的應變計算值、實測值及其對比值，從而得到各工況下控制截面校驗系數最大值、最小值和平均值。現以工況I下撓度值和為例，如表4所示。

表4 工況Ⅰ下橋跨結構撓度理論值和實測值

3 動載試驗

3.1 試驗內容

本試驗采用靜載試驗車作為動載試驗荷載，應用加速度傳感器、動態位移計、信號分析儀、動態電阻應變儀配以分析軟件等主要測試儀器，測試試驗車分別以20、30、40、50km/h的速度勻速通過主橋產生的振動以及試驗車分別以20、30、40、50km/h的速度行駛至主橋測試位置進行制動產生的振動，從而分別測取其動力性能。通過測取加速度和動應變，分析其頻率、阻尼比及最大動撓度、動應變，求出橋梁的沖擊系數。

3.2 試驗過程

首先實施測點打底找平，粘貼應變計，安裝機電位移計，連接導線及聯機調試等項準備工作，并進行預加載以檢驗各測點應變計，位移計及采集記錄儀器工作的可靠性，經檢驗無誤后，再進行正式加載試驗。

試驗中為了盡可能地減少混凝土變形滯后的影響，采取了如下措施：荷載到位后關閉汽車發動機，持續5分鐘以上，待數據完全穩定后記錄；每種工況均加載測試兩次；每次卸載后至下一次加載的間隔時間均不少于5分鐘。

靜載試驗完成后進行動載試驗，每種跑車試驗做兩次，各次試驗間隔時間不少于5分鐘，以便結構恢復彈性變形，保證測試結果的可靠性。

4 試驗結果與分析

靜載試驗的結果包括撓度及應變，通過試驗測得的各加載工況下各測點的撓度計算值、實測值及其對比值，以及各工況下各測點的應變計算值、實測值及其對比值，從而得到各工況下控制截面校驗系數最大值、最小值和平均值，如表5所示。

表5 各加載工況校驗系數

結構自振特性包括自由振動時結構的頻率及振型等，它反應了結構自身動力特性，是進行動力分析的基礎。自振特性的基本分析手段是分離變量法，即把時間變量與結構坐標變量分離后，利用特征方程具有非零解的條件，即系數行列式為零：Det(K－λM)=0。解此關于λ的n次實系數特征方程，即可得到結構自振頻率及相應振型。建立橋梁整體計算模型，采用子空間迭代法進行數值分析計算，得到橋跨結構各階自振頻率和振型圖。本橋一階陣型見圖12。

通過實施20、30、40、50km/h的速度下跑車激振試驗和制動試驗可得到橋跨結構的加速度時程曲線、不同跑車速度下制動時的動應變時程曲線以及不同跑車速度下的動應變時程曲線，以40km/h時速的曲線為例，如圖13-15所示。

對結構加速度時程曲線進行頻譜分析得到幅頻特性曲線，結構實測一階頻率f1=2.93Hz，如圖16所示。由次邊跨跨中截面行車速度與沖擊系數關系曲線，得到橋跨結構的最大沖擊系數為0.042，如圖17所示。

5 承載力評定

根據參考文獻[5]中關于荷載試驗成果分析與評定的要求，評定結果分析如下：(1)靜載試驗效率評定結果如表6所示。（2）靜載試驗撓度、應變結果評定如表7、表8所示。（3）動載試驗結果評定如表9所示。

表6 靜載試驗效率(ηq)評定結果

表7 橋跨結構撓度評定結果

表8 橋跨結構應變評定結果

表9 自振頻率與沖擊系數評定結果

6 結語

（1） 通過靜載試驗效率、撓度、應變的分析與評定，可以判定該橋具有足夠的剛度與強度，承載能力滿足設計荷載的要求。根據自振頻率、沖擊系數的評定結果，可以判定該橋具有足夠的橋動剛度和抗沖擊能力，滿足設計的要求。試驗結果表明，該橋在設計活載作用下，結構處于彈性工作狀態，施工質量符合設計要求。

（2）由于施工、試驗的實際情況與理論之間存在著差異，即實際施工結構與理論設計結構的差異、試驗荷載與標準荷載之間的差異、試驗加載與理論加載過程的不完全相同等，都會造成試驗結果與理論計算結果之間存在著一定的差異。該新建橋梁的施工和試驗結果可以表明，施工人員對施工質量的重視程度，會直接影響結構承載力的評定結果。因此，工程施工一定要把好質量關。

（3）該橋采用了分離式兩箱四室的橫斷面結構形式，每幅的翼板連接屬于弱連接,由于扭轉作用對連續剛構橋影響較大，為了更好的了解扭轉對連續剛構橋承載力的影響，還可以對該橋的扭轉做進一步的分析研究[6]。

[1]GJJ77-98,城市橋梁設計荷載標準[M].北京:人民交通出版社,1998﹒

[2]戴公連.橋梁結構空間分析設計方法與應用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]葉見署.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,2010.

[4]交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[5]交通部第二公路勘察設計院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[M].北京:人民交通出版社,1988.

[6]陳從春,丁文勝.弱連接的雙箱四室連續箱梁橋的力學特性與試驗研究[J].公路,2011,(12):51-53.