城市高架橋荷載實驗研究

宜昌超越路橋有限公司 鄧宗昌

隨著我國城市現代化建設步伐的加快，越來越多的城市修建了高架橋，城市交通網得到了進一步完善，這對于城市的發展具有重要的促進作用。為了使高架橋能安全地為公路運輸服務，必須對新建橋梁進行鑒定。本文，筆者以某城市新建高架橋為例，對其進行荷載試驗研究，以檢驗橋梁的施工質量、承載力和實際工作狀態是否達到設計要求，為竣工驗收和安全運營提供科學依據，以保證橋梁營運的可靠性；同時還可以為高架橋設計積累科學資料，為橋梁養護、維修提供參考資料。

一、工程概況

該橋梁工程規劃為城市快速路，全線采用高架加地面輔道形式。橋梁工程包含主線及上下橋匝道兩部分，主線全長7.5 km，其中高架橋長6.9 km，高架引道長0.5 km，上下橋匝道全長1.8 km。全線高架橋標準截面均為雙向6車道，橋寬28 m，主線為鋼箱梁，荷載等級為公路Ⅰ級。

二、 橋梁檢測內容及結果分析

1.橋梁恒載線形檢測。為了解橋梁結構線形與設計線形是否吻合，以保證橋梁的長期運營，需對橋梁總體線形進行測量。利用已有的橋位施工控制網，采用精密電子水準儀對主梁縱向標高進行測量，標高測點布置在主梁橋面墩頂截面、L/2、L/4及L3/4（L為主梁橋長度）截面處，共設37個測點。為消除溫度對于線形的影響，測量應選擇能見度好，氣溫較低且穩定的時段進行。

2.靜載試驗。

（1）靜載試驗內容。橋梁靜載試驗是通過測量橋梁結構在靜力試驗荷載作用下各控制截面的應力及結構變形，從而確定橋梁結構實際工作狀態與設計期望值是否相符，是檢驗橋梁性能及工作狀態最直接、最有效的方法。

為了解結構應變或變位隨加載內力增加的變化情況，防止結構意外損壞，試驗決定采用逐級加載的方式進行，根據橋梁的實際情況，加載分2 ～ 3級進行，試驗中對加載的控制采用逐漸增加加載車輛的方式。試驗采用三軸載重汽車加載，汽車荷載的選用遵循兩條原則，一是使各控制截面加載效率系數滿足靜力試驗荷載效率的要求；二是在滿足試驗要求的條件下，盡可能減少加載用車數量。主線縱向試驗分析采用單車重300 kN的車輛加載；主線橫向試驗分析采用單車重340 kN的車輛加載。

試驗中所需要的加載車輛數及加載位置根據設計標準活載（公路Ⅰ級）產生的最不利效應值按等效原則換算而得。靜載試驗荷載一方面應保證結構的安全性，另一方面應能充分暴露結構的承載能力，通常有

式（1）中，ηq為靜載試驗荷載效率系數，Sstate為試驗荷載作用下檢測部位荷載效應的計算值，S為設計標準荷載作用下檢測部位荷載效應的計算值，δ為設計取用的動力系數。需要注意的是ηq取值有一定的限制，通常為0.85～1.05。

首先將試驗加載車過地磅稱重后，在不影響試驗橋跨的位置錯開停放。正式加載前，用4輛加載車輛并排緩慢地來回兩次對全橋進行預壓，然后非工作人員退場，待一切工作安排就緒后，將各試驗量測儀表讀數調零，進行第一次空載讀數（應變和撓度），同時記錄該時刻的氣溫。正式實施試驗加載時，試驗加載車按試驗方案分級加載。每級試驗加載車駛入指定的區域就位后，穩定15 min后記錄加載后的第1次讀數，間隔10 min后再記錄加載的第2次讀數，當兩次讀數差均小于前次讀數增量的10%時，認為結構變形已趨穩定，此時所記錄的數據為試驗實測數據，同時記錄該時刻的氣溫。每個工況試驗的載位滿載完成后進行一次卸載，穩定20 min后觀測數據，待數據穩定后，記錄殘余應變和撓度，并記錄該時刻的氣溫。

需要注意的是，在試驗加載過程中，應確保橋梁的安全，防止試驗荷載對橋梁造成損傷。當控制測點應變值已達到或超過理論計算的控制應變值或控制測點變位（或撓度）超過規范允許值時，應終止加載試驗。

（2）靜載試驗結果分析。根據測點理論應力計算各測點的理論應變，鋼材彈性模量Eg計算時取200×103MPa。通過實測應變和理論計算值的比較，分析計算結構的相對殘余應變和應變校驗系數，以評定結構的工作狀況，確定橋梁的承載能力。

由試驗數據可知，主線鋼箱梁的應變校驗系數為0.704 ～0.927，平均應變校驗系數為0.800，滿足檢測規程要求，說明設計豎向荷載作用下結構強度安全儲備充分，滿足設計使用要求；主線鋼箱梁的最大撓度為17.02 mm，撓度校驗系數在0.736～ 0.954，平均撓度校驗系數為0.882，滿足規范要求，說明橋梁結構剛度滿足設計要求；主線鋼箱梁平均殘余應變為5.3%，平均殘余變位為8.7%，遠小于控制值19%，說明結構的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復能力。

3.動載試驗。橋梁動載測試就是利用車輛荷載或環境激起橋梁結構的振動，然后測定橋梁振動的固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數、行車響應等參量，從而判斷橋梁結構的整體剛度和行車性能。通過動載試驗分別測取以下各動力參數和響應值，并和理論計算值進行比較，以確定橋梁結構的動力特性（阻尼、自振頻率）、動載作用下（行車和跳車）橋梁結構的動力響應信號和動力響應值（振幅、沖擊系數等）是否異常、是否滿足規范要求。

（1）動載試驗測試項目。

①脈動試驗。主要是使用高靈敏度的傳感器和放大器，測量外界因素所引起的橋梁微小且不規則的振動，然后進行譜分析，最終得到橋梁結構的自振頻率。

②跑車試驗。用1輛300 kN的試驗加載車分別以20，30，40和50 km/h的速度往返勻速通過橋跨結構，以測定橋梁結構在動荷載作用下的強迫振動響應。

③跳車試驗。在橋跨跨中橋面設置高10 cm左右的三角形墊木，將300 kN試驗加載車后軸置于其上，然后突然下落，測定橋梁結構在動荷載作用下的強迫振動響應。

④制動試驗采用1輛300 kN試驗加載車以20 km/h的行駛速度在跨中緊急剎車使橋梁產生受迫振動，測試橋梁的振動響應。

（2）動載試驗結果分析。根據實測數據，主線基頻實測值為2.30 Hz（大于理論值2.20 Hz），說明其實際剛度大于理論計算剛度；依據《公路橋涵設計通用規范》（JTJ D60-2004），實測主橋行車、跳車及剎車試驗的各項動力性能指標與以往同類橋梁相差不大，車輛行駛狀況較好。剎車工況與跳車工況實測值與同類型橋梁實測值相當，在正常范圍內；主線的阻尼比為0.7%～4.1%，也在正常范圍之內。

三、 結論

通過對該橋梁工程主線鋼箱梁進行恒載線形檢測和荷載試驗，測試了橋梁結構各關鍵部位的應力、撓度以及結構的動力特性，主要結論如下。

1.主線鋼箱梁應變校驗系數滿足檢測規程要求，說明設計豎向荷載作用下結構強度安全儲備充分，滿足設計使用要求；主線鋼箱梁撓度校驗系數滿足規范要求，說明橋梁結構剛度滿足設計要求；橋梁結構的相對殘余變形遠小于控制值的20%，說明結構的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復能力；實測主線鋼箱梁的脈動一階自振頻率較理論值高，各項動力指標正常。

2.試驗僅反映試驗荷載作用下橋梁的結構性能；在交通流量和環境等外在不確定因素以及內在的橋梁本生材料的老化等因數的長期作用都會對橋梁結構產生影響，因此需要對橋梁進行長期有效的觀測。