蒼溪某新建連續梁橋荷載試驗分析

(西華大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610039)

橋梁荷載試驗是對新建橋梁和既有橋梁的實際工作狀態及承載能力最直接有效的檢驗辦法。荷載試驗分為靜載和動載2種：靜載是將靜止的等效荷載(多用載重的車輛充當)作用于橋梁上的控制截面位置，同時對該截面的應變及撓度進行測試；而動載則是將移動的荷載作用于橋梁上以測試其在動荷載如車輛荷載通過時橋梁工作性能的方法[1-2]。

在試驗之前還需進行理論計算，以前期計算結果制定試驗方案并以此作為現場試驗過程中的控制指標，同時還會將理論計算值與試驗值進行對比，以此判斷橋梁結構的實際工作狀態和承載能力[3]。

1 工程概況

該橋位于廣元市蒼溪縣喚馬鎮，橫跨東河。上部構造為7孔30 m的先簡支后連續箱梁+3孔16 m現澆實心普通鋼筋砼板橋；下部為鉆孔灌注樁基礎，喚馬岸橋臺為重力式U型臺，擴大基礎，蒼溪岸采用重力式L型橋臺；縱坡為平坡，橫橋向雙向2.0%的橫坡。橋面布置形式為凈7.0 m車行道+2×1.9 m人行道+2×0.35 m護欄+2×0.25 m欄桿，全寬12 m，設計荷載等級為公路II級。

為檢驗該橋是否達到預期的設計目標，其承載能力及靜動載性能能否滿足相關的公路橋梁規范要求[4-5]，能否按期進行交工驗收，特對該橋進行了橋梁荷載試驗。

2 靜載試驗方案

首先，需根據計算及現場的實際情況，同時需兼顧試驗儀器放置的難易、測試的便利選取大橋進行荷載的試驗跨，然后進行試驗的方案設計。本次試驗最終選取喚馬鎮方向的第一邊跨進行靜載試驗。試驗的控制截面見圖1，分別為邊跨跨中截面(A-A截面)、墩頂截面(B-B截面)及喚馬鎮側橋臺支座截面(C-C截面)，該3個截面做為靜載測試的控制截面，荷載試驗縱橫向布置如圖2—圖5所示，測試的主要內容包括：

1)應力測試，包括邊跨跨中和墩頂共2個截面；

2)撓度測試，邊跨跨中截面，同時需考慮支座下沉的影響。

圖 1 橋梁縱向立面布置圖(單位：cm)

橋面行車道寬7 m，因此靜載試驗在布載時，需考慮正載和偏載2種情況，偏載需求出偏載系數。表1詳細列出了該次試驗的工況及具體檢測項目。

表1 試驗加載截面及測試項目

圖 2 工況一(二)橋梁加載縱立面布置(單位：cm)

圖 3 工況三(四)橋梁加載縱立面布置(單位：cm)

圖 4 試驗荷載橫向(左偏載)布置圖(單位：cm)

應變測點布置在喚馬鎮側邊跨跨中A-A、墩頂B-B，共2個截面，各截面應變測點(小三角形表示)布置情況見圖6—圖7。

在測試A-A截面撓度時，需考慮支座沉降的影響，因此需要測試2支座截面即B-B截面和C-C截面的撓度。這樣，全橋需設12個撓度測點，測點布置見圖8—圖9。

圖 5 試驗荷載橫向(右偏載)布置圖(單位：cm)

圖 6 A-A斷面應變(應力)測點布置圖(單位：cm)

圖 7 B-B斷面應變(應力)測點布置圖(單位：cm)

圖 8 撓度測點縱向布置圖(單位：cm)

圖 9 撓度測點橫向布置圖(單位：cm)

3 理論計算與靜載試驗結果分析

3.1 有限元模型的建立及計算

本次荷載試驗的計算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模得到，有限元模型見圖10，全橋共452個節點和655個單元，主梁采用梁單元模擬，橫隔板、橫梁采用板單元模擬。

圖 10 連續梁橋有限元模型圖

根據上面擬定的各工況荷載加載位置進行理論分析，有限元計算結果與實測結果列于表2至表4，因篇幅關系，僅列出工況1車輛布置及相應荷載作用下的彎矩、撓度及應力(見圖11—圖13)。

圖 11 工況1：車輛布置示意圖

圖 12 工況1：荷載作用彎矩圖

圖 13 工況1：跨中截面的撓度及應力圖

3.2 撓度實測結果與理論計算值的比較

邊跨跨中截面(A-A)在試驗荷載作用下撓度試驗值與計算值見表2。

表2 邊跨跨中截面(A-A)撓度試驗值與計算值

從表2可以看出，測試截面在各工況下跨中撓度校驗系數均小于1.0，表明其剛度滿足公路II級荷載等級要求。

3.3 應力實測結果與理論計算值的比較

在試驗荷載作用下，各控制截面在不同工況下的實測值與計算值比較情況見表3和表4。表中數據以受拉為正，受壓為負，表中同一測點位置的不同測點的實測值取為平均值(除極個別離散較大的測點)。各測點布置圖見圖6—圖7。在應變測試轉化為應力的時候，彈性模量按混凝土設計值C50進行計取，取E=34.5 GPa。

表3 邊跨跨中截面(A-A)應力試驗值與計算值的比較

表4 墩頂截面(B-B)應力試驗值與計算值的比較

從表3和表4可以看出，除個別絕對值較小的測點外，各控制截面應力校驗系數在0.35～0.76之間，處于梁橋結構應力校驗系數的正常范圍，表明其強度滿足設計要求。

靜載試驗中，每次卸載完后，均對測點的殘余變形進行記錄。總的來看，殘余變形較小，該情況表明結構在測試荷載作用下處于彈性工作狀態，其在測試時由荷載所導致的變形能得到恢復。

測試前后同時還對截面附近進行裂縫擴展的檢查，未發現有新裂縫的產生。

4 動載試驗分析

4.1 自振特性測試結果

自振特性的測試采用環境激勵法測得，實測頻譜圖見圖14，實測頻率見表5。

表5 計算頻率與實測頻率對比表 Hz

序號計算基頻實測基頻14.244.35

JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》的規定，相應試驗連續梁橋邊跨計算跨度L=29.62 m，計算正彎矩效應(跨中)時，計算基頻為f=4.24 Hz[4]。實測本橋主梁豎向一階自振頻率f=4.35 Hz，大于規范計算值。

圖 14 跨中截面實測豎向頻譜圖

通過對自振頻率的計算值和實測值進行對比，發現兩者非常接近，屬正常范圍，同時也表明橋梁的動剛度較好，該橋施工很好地實現了設計的意圖。

4.2 行車激振試驗測試結果及分析

不同速度下的跑車試驗和跳車試驗激振圖見圖15—圖16，因篇幅關系這里僅列出跑車20 km/h和跳車20 km/h激振圖。

圖 15 跨中截面20 km/h跑車

圖 16 跨中截面20 km/h跳車

通過跑車和跳車的試驗可測得不同速度的動荷載通過橋梁所引起的波形圖，通過模態軟件分析，可得到跑車和跳車的沖擊系數(見表6)。

表6 實測跨中截面動應力沖擊系數

對試驗數據結果進行分析可以看出：跑車和跳車的沖擊系數最大數值分別為1.23和1.12，均小于規范計算值，在正常范圍之內。

5 結 論

通過對該橋進行動靜載相結合的試驗，可得出以下結論：

1)靜載試驗。測試截面在各工況下跨中撓度校驗系數在0.51～0.64之間，撓度校驗系數均小于1，表明其剛度滿足設計要求；除個別絕對值較小的測點外，各工況應力校驗系數在0.35～0.76之間，表明其強度滿足設計要求；同時，在試驗荷載卸載后，控制截面的殘余變形百分比均較小，表明結構產生的撓度能夠得到恢復，結構在試驗荷載下處于線彈性工作狀態。

2)動載試驗。實測結構豎向一階頻率為4.35 Hz，大于計算值4.24 Hz，表明結構的整體性和動剛度較好；跨中截面行車和跳車的沖擊系數最大值分別為1.23和1.12，均在正常范圍之內，表明結構正常工作狀態下的動力性能良好。

從試驗結果可以看出，本橋滿足公路-II級荷載要求。

[1]滑思慶，李剛，陳飛.簡述橋梁荷載試驗[J].山西建筑,2008,34(9)：336-337.

[2]代少敏,劉顯陸.橋梁荷載試驗要點評述與展望[J].交通標準化,2009(6)：14-16.

[3]交通部公路科學研究所,交通部公路局技術處,交通部公路規劃設計院.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S].1982.

[4]中交公路規劃設計院.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[5]中交公路規劃設計院,JTG D62—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,2004.

[6]邱順冬. 橋梁工程軟件Midas Civil應用工程實例[M].北京： 人民交通出版社,2011.