公路橋梁結構安全性檢測與評定

彭超凡 鄭七振 趙榮欣 謝思昱 馮軍驍 李 鵬

(1.上海理工大學，上海 200093； 2.上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海 200032)

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公路橋梁結構安全性檢測與評定

彭超凡1鄭七振1趙榮欣2謝思昱1馮軍驍1李 鵬1

(1.上海理工大學，上海 200093； 2.上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海 200032)

以鄂爾多斯市某跨線橋為例，通過靜載與動載試驗，檢測了橋梁的靜力性能參數及結構動力特性，結果表明，橋梁外觀和剛度狀況良好，處于彈性受力階段，結構整體承載性能滿足設計要求。

橋梁結構，靜載試驗，動載試驗，撓度

1 橋梁概況

某跨線橋位于鄂爾多斯市東勝區布日都鎮，立交功能定位為：樞紐型城市互通立交。改擴建工程路線全長為25.253 km，上部結構采用簡支連續小箱梁，標準跨徑為30 m和35 m。下部結構采用樁柱式橋墩，在橋寬變化段，通過改變立柱間距和根數的方式來滿足受力要求。橋臺采用輕型埋置式橋臺，寬2 m，最小厚度1.5 m，支座采用板式橡膠支座，鋪裝采用瀝青混凝土鋪裝，總厚17 cm。

2 靜載試驗

橋梁靜力荷載試驗，主要是通過測量橋梁結構在靜力試驗荷載作用下的變形和內力，用以確定橋梁結構的實際工作狀態與設計期望值是否相符[4]。

2.1 測點布置

2.1.1 應變測點

截面抗彎應變測點設置在各截面應力分布較大的部位，每個斷面分別在小箱梁底板和腹板布置應變測點，應變測點均布置在小箱梁結構的混凝土外表面上。結合現場試驗條件，在3個斷面共布置了22個應變測點。

2.1.2 撓度測點

撓度測點均布置在小箱梁底板上，跨中截面測點是在每個小箱梁底板各布置1個，墩頂測點則在首尾底板上各布置1個。

2.2 靜載試驗工況

根據試驗內容及現場的試驗條件，靜力荷載試驗共分四個試驗工況：1)工況Ⅰ：檢驗邊跨跨中截面在最不利汽車荷載(對稱加載)作用下的最大正彎矩效應；2)工況Ⅱ：檢驗中墩墩頂截面在最不利汽車荷載(對稱加載)作用下的最大負彎矩效應；3)工況Ⅲ：檢驗中跨跨中截面在最不利汽車荷載(對稱加載)作用下的最大正彎矩效應。

2.3 靜力荷載效率與加載方式

2.3.1 設計控制荷載

1)計算參數。a.設計荷載：均布荷載10.0 kN/m,集中荷載300 kN。b.結構材料：預應力混凝土小箱梁采用C50混凝土，預應力采用φ15.20高強度低松弛(Ⅱ類松弛)鋼絞線(標準強度1 860 MPa)。c.汽車荷載系數：單幅橋單向四車道。

2)計算模型。采用有限元分析軟件Midas對跨線橋三片連續小箱梁進行受力分析。有限元模型如圖1所示，小箱梁共離散為91個節點，90個單元。

2.3.2 靜力荷載效率

靜力荷載試驗效率[5]是某一控制截面在試驗荷載作用下的計算效應與該截面對應的設計控制效應的比值。對于在用橋梁，其使用荷載變化情況復雜且長期處于各種荷載作用之下，為使荷載試驗能充分反映結構的受力特點，一般要求采用較高的荷載試驗效率，其取值如式(1)所示。

(1)

其中，ηq為靜力試驗荷載效率；Ss為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；S′為檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；μ為按規范取用的沖擊系數值，μ=0.176 7lnf-0.015 7，f為結構的基頻。

依據以上計算公式求得的各工況下的靜力荷載效率如表1所示。各試驗工況的荷載效率均介于0.95～1.05之間，符合規范要求。

表1 控制截面荷載效率

2.3.3 荷載加載方式

靜力試驗荷載加載方式是采用單輛重約300 kN的三軸載重汽車作為等效荷載，在試驗過程中模擬設計活載所產生的內力值。本次荷載試驗現場共選用6輛加載車輛，采用汽車車隊加載方式，加載車輛均為三軸重車，車輛滿載后控制總重量為300 kN，其中前軸重60 kN，中、后軸各重120 kN。正式試驗前，已對所有加載車輛進行過磅稱重，與標準300 kN車輛誤差均在5%以內。

2.4 靜載試驗檢測結果

2.4.1 應變測試結果

工況Ⅰ邊跨跨中控制截面的各應變測點測試結果見表2。工況Ⅱ中墩墩頂主梁控制截面上的各應變測點測試結果見表3。工況Ⅲ中跨跨中控制截面的各應變測點測試結果見表4。表格中拉應變為正，壓應變為負，“—”表示應變壞點。

表2 邊跨跨中最大正彎矩工況應變測試結果

表3 中墩墩頂最大負彎矩工況應變測試結果

表4 中跨跨中最大負彎矩工況應變測試結果

由表2可知，在邊跨跨中最大正彎矩加載工況時，實測應變值均小于理論值，應變校驗系數在0.21～0.88之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應作用下邊跨跨中截面的應力狀況能滿足設計要求。殘余應變值較小且相對殘余均小于20%，說明該橋結構處于彈性受力階段。

由表3可知，在中墩墩頂最大負彎矩加載工況時，實測應變值均小于理論值，應變校驗系數在0.81～0.98之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應作用下中墩墩頂截面的應力狀況能滿足設計要求。殘余應變值較小且相對殘余均小于20%，說明該橋結構處于彈性受力階段。

由表4可知，在中跨跨中最大正彎矩加載工況時，實測應變值均小于理論值，應變校驗系數在0.25～0.79之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應作用下中跨跨中截面的應力狀況能滿足設計要求。殘余應變值較小且相對殘余均小于20%，說明該橋結構處于彈性受力階段。

2.4.2 撓度測試結果

通過設置邊跨跨中、中墩墩頂和中跨跨中的位移測點，繪制各主梁實測的撓度曲線，并與理論計算的結果進行對比，結果見圖2～圖4。

從測試結果來看，四個荷載工況作用下，主梁撓度測點的校驗系數范圍分別在0.39～0.78，0.17～0.44和0.49～0.80之間，說明橋梁的實際狀況要好于理論狀況，結構承載能力滿足設計要求。各測點相對殘余撓度及相對殘余應變均小于20%，滿足規范要求。橋梁結構的整體剛度及其各主梁橫向分布情況較好，與設計基本相符。

3 動載試驗

動力荷載試驗是指采用動力荷載，如行駛的汽車荷載作用于橋梁結構上，以測出橋梁的動力特性，如振動變形、動撓度，從而判定橋梁在動力荷載作用下受沖擊和振動的影響程度。

3.1 測點布置

在中跨跨中斷面分別布置動撓度測點和振動測試測點[7]。動撓度測點即在中跨跨中斷面安裝靶標為觀測元件，并配備光電撓度儀采集在動荷載作用下的動撓度數據。振動測點即在中跨跨中斷面布置拾振器，在動荷載試驗中采用智能信號采集處理分析儀進行數據采集，并在Dasp軟件平臺中建模分析結構振動特性。

3.2 動載試驗工況

根據試驗內容及現場的試驗條件，動力荷載試驗共分四個試驗工況：1)工況Ⅰ：10 km/h跑車。一輛300 kN試驗車輛以勻速10 km/h從中跨橋面上跑過；2)工況Ⅱ：20 km/h跑車。一輛300 kN試驗車輛以勻速20 km/h從中跨橋面上跑過；3)工況Ⅲ：10 km/h有障礙行車。先在橋面中跨跨中位置放置一高約5 cm，寬約10 cm的木條，然后一輛300 kN試驗車輛以勻速10 km/h從木條上跑過；4)工況Ⅳ：跳車。先在橋面中跨跨中位置放置一高約5 cm，寬約10 cm的木條，一輛300 kN試驗車輛使其中軸緩慢駛過木條后立即剎車。

3.3 動載試驗檢測結果

動撓度測試結果。根據中跨跨中截面所布置的動撓度測點，中跨主梁在各動載工況下實測的動撓度時程曲線，可算得主梁在各動載工況下的沖擊系數如表5所示。

沖擊系數μ能夠反映車輛動荷載對結構的動力增大效應。實測的活載動力增大系數，可根據測點動撓度時程曲線進行整理分析，按式(2)計算：

(2)

其中，Smax為在動力荷載作用下該測點最大撓度值；Smean為相應的靜載作用下該測點最大撓度值。

(3)

其中，Smin為與Smax相應的最小撓度值。

據表5可知，在無障礙跑車狀態下，跨中截面實測的沖擊系數分別為0.100和0.054，數值較小，且均小于沖擊系數理論計算值。而在橋面設置高約5 cm的木條障礙下進行跑車實測的沖擊系數較大，大于沖擊系數理論計算值。

各動荷載試驗工況下的實測結果表明，在橋面無人為障礙的情況下，橋梁結構的行車性能較好，橋面平整度較好。而當橋面有木條等障礙時，橋面跑車對橋梁結構的沖擊影響較大，但卸載后，橋梁撓度恢復正常。

表5 主梁跨中截面行車沖擊系數實測結果

4 結語

本文以內蒙古鄂爾多斯市某跨線橋為研究背景，通過對橋梁的常規檢測、靜載試驗、動載試驗及有限元結構分析，對橋梁結構的適用性、耐久性和安全性進行了評定。檢測結果顯示，橋梁外觀和剛度狀況良好，處于彈性受力階段，結構整體承載性能滿足設計要求。

[1] JTG H11—2004，公路橋涵養護規范[S].

[2] JGJ T23—2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S].

[3] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[4] 吳建奇，鄭 曉，張婷婷.橋梁檢測中的靜載試驗研究[J].鐵道建筑，2011(2):42-44.

[5] 呂大偉，袁卓亞，石雄偉，等.中小跨徑梁橋試驗荷載效率[J].長安大學學報(自然科學版),2013,33(6):59-67.

[6] 申明文,周海俊.橋梁靜動載試驗檢測方法[J].城市道橋與防洪，2007(7):158-160.

[7] 胡順仁，陳偉民，章 鵬.橋梁監測系統多傳感器測點之間的關聯分析[J].土木工程學報，2009,42(3):82-86.

Safety testing and identification on the structure of highway bridge

Peng Chaofan1Zheng Qizhen1Zhao Rongxin2Xie Siyu1Feng Junxiao1Li Peng1

(1.UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiResearchInstituteofBuildingSciences(Group)Co.,Ltd,Shanghai200032,China)

Taking the overpass bridge in Ordos city as an example, through static load and dynamic load test, the paper detects the static bridge performance parameters and structural dynamic properties. Results show that: the bridge appearance and rigidity are good, lies in elastic stress stage, and its structural bearing performance meets design demands as well.

bridge structure, static load test, dynamic load test, deflection

1009-6825(2016)27-0156-03

2016-07-18

彭超凡(1991- )，男，在讀碩士

U441

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