T型連續剛構橋梁荷載試驗評定與探討

摘 要：隨著我國經濟、科學技術、交通事業的快速發展，橋梁檢測技術得到了日益廣泛的重視。荷載試驗是一種橋梁檢測技術的重要手段，在評定現有橋梁的實際承載能力、建立和積累橋梁技術資料、推動和發展舊橋評定理論及新橋設計理論等方面有著重要的意義。文章以新甸公路橋為例，論述了預應力混凝土T型連續剛構橋梁的荷載試驗，應用MIDAS CIVIL 2015建立橋梁三維有限元模型，結合靜載荷試驗測試結果對橋梁的實際承載能力作出評定；通過跑車試驗及脈動試驗，并建立實橋模型進行模態分析，對橋梁的動力性能作出了判斷。

關鍵詞：T型連續剛構；荷載試驗；有限元模型；承載能力；動力特性

1 工程概況

新甸公路橋全長為344.0m，全寬為8.0m，跨徑組合為5×20m+40m+60m+40m+5×20m，橋面由0.5m護欄+7.0m機動車道+0.5m護欄組成，為雙向單車道，橋面材料為混凝土，伸縮縫型式為簡易型鋼；護欄結構為鋼管與鋼筋混凝土組合結構。上部結構：主橋為T型掛梁的預應力混凝土T形剛構橋，T型懸臂梁為單箱雙室的箱形截面，掛梁為橫向分成四片的預應力混凝土T梁，梁內設有曲線的預應力鋼絞線；引橋為預應力混凝土空心板。T構懸臂梁、全掛梁、半掛梁及預應力砼空心板均采用C50混凝土。下部結構：主橋橋墩身為箱形斷面的鋼筋混凝土空心墩；引橋橋墩、橋臺采用雙樁雙柱式、雙樁單柱或加蓋梁結構；墩承臺均采用灌注樁基礎。主橋墩墩身及引橋蓋梁采用C30混凝土，主橋承臺、引橋灌注樁采用C25混凝土。

主要技術指標：

設計荷載：汽-20級，掛-100，人群荷載3.5kN/m2。（三級公路橋）

通航凈空：Bm≥55.0m，b=37.0m，h=4.0m，Hm=7.0m。

橋面縱坡：主跨跨中設R-1400m，T=51.8m，E=0.9583m的凸形豎曲線，引橋設3.7%的縱坡。

橋面橫坡：以橋中心線為起點向兩側設1.5%的橫坡。

2 有限元模型建立及分析

根據設計圖紙資料，結構計算采用Midas Civil 2015進行有限元建模，有限元模型見圖1。

3 靜載荷試驗

根據橋梁結構特點及移動荷載作用下的內力和撓度包絡圖，確定本次試驗的控制截面：T構懸臂梁支點截面及全掛梁跨中截面作為測試截面。位置描述及試驗內容見表1。

3.1 加載工況

根據橋梁主橋結構特點及反映橋梁結構的最不利受力狀況，本次加載工況選取如下：工況一：縱橋向按T構懸臂梁支點截面I-I最不利負彎矩布載，橫橋向偏載；工況二：縱橋向按全掛梁跨中截面II-II截面最不利正彎矩布載，橫橋向偏載。

3.2 控制內力計算

根據Midas Civil 2015程序計算，控制內力計算結果見表2。

3.3 試驗荷載的確定

靜載試驗荷載是在結構設計內力計算的結果上，來確定加載位置以及在試驗荷載作用下結構的內力大小，是一個反復驗算的過程。為確保試驗效率，試驗荷載的確定一般采用靜載試驗校驗系數η進行控制。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）等規范相關的規定，靜力試驗荷載的效率系數η取值范圍為0.95≤η≤1.05。

3.4 加載車輛及試驗效率

靜載試驗擬采用等效車輛進行加載，車隊位置按有限元計算的影響線進行布設，就某一檢驗項目而言，其相應的加載車輛數量及位置使該檢驗項目的荷載效率系數η滿足：0.95≤η≤1.05。

試驗配重車輛擬選用總重為300kN的試驗車輛4輛，雙后軸配重車前后軸距3.5m，兩后軸距1.4m，輪距1.8m，單車總重300kN，軸重分配為60kN、120kN、120kN。

3.5 靜載荷試驗結果

（1）應變測試結果。表3、4中給出了應變實測值、理論計算值和應力校驗系數，同時計算出了各測點的殘余應變。

（2）撓度測試結果。在各試驗工況下的試驗車輛加載前、加載中和卸載后，采用多點撓度儀對橋梁撓度進行測量。多點撓度儀設在穩定地點，保證測量結果的一致性。

表5中給出了撓度的理論計算值、實測值（單位均為mm）和殘余變形，同時還計算了撓度校驗系數。為了形象地反映撓度實測值與理論計算值的關系，將繪制出各工況的撓度對比曲線。表中撓度符號規定向下為負、向上為正。

（3）靜載荷成果分析。從測試結果可以看出：該橋控制截面在加載時，橋梁結構在滿載作用下測試截面的撓度（或應變）實測值均小于理論計算值，即其校驗系數均小于1.0，說明該橋主橋結構在試驗荷載作用下結構剛度和強度能滿足設計的要求；在偏載作用下各測點的撓度（或應變）橫向分布均勻，說明該橋橋梁結構荷載橫向聯結構造較可靠；T板各控制測點的相對殘余撓度（或應變）均小于規范規定值20%，說明該橋主橋結構處于良好彈性工作狀態。

（4）裂縫觀測。裂縫觀測不是靜載荷試驗中判斷橋梁結構受力情況的主要參數。本次裂縫檢查方法以人工目測為主，輔以鋼尺測量確定裂縫位置坐標（相對參考坐標）和長度，裂縫測寬儀測量裂縫寬度。在靜載荷試驗過程中，對橋梁的主要部位（指它對橋梁結構的承載能力、變形、節點構造的牢固程度等有直接影響或嚴重影響的部位）的裂縫情況進行全程追蹤觀測，其內容包括開裂荷載的確定（即當構件最大拉應力區出現第一條裂縫，或應變測量儀表的讀數發生跳躍時的荷載值）和裂縫寬度測定，并繪制裂縫開展圖。

該橋主橋結構主要部位在各試驗工況下的試驗過程中和在短期荷載試驗荷載后未發現裂縫擴展和新的裂縫產生。

4 動載荷試驗

4.1 動載荷理論

橋梁結構動力載荷試驗是利用某種激振方法激起橋梁結構的振動，測定橋梁結構的固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數、動力響應（加速度、動撓度）等參數的試驗項目，從而宏觀判斷橋梁結構的整體剛度、運營性能。橋梁結構的動載試驗與靜載試驗雖然試驗目的、測試內容等方面有所不同，但對于全面分析掌握橋梁結構的工作性能是等同重要的。動載試驗之所以對公路和橋梁設計非常重要，是因為它是影響公路和橋梁使用壽命的主要因素之一。當車輛通過公路橋時，車輛軸載對橋梁的作用隨時間變化，即為動載荷。

4.2 試驗方法

橋梁動力載荷試驗是在橋梁處于振動狀態下，利用振動測試儀器對振動系統各種振動量進行測定、記錄并加以分析的過程。本次試驗采用脈動試驗和跑車試驗對橋梁結構動力特性進行分析研究。

（1）脈動試驗。脈動法是利用被測橋梁結構所處環境的微小而不規則的振動來確定橋梁結構的動力特性的方法。橋梁結構的脈動是由附近的地殼的微小破裂和遠處地震傳來的脈動所產生的，或由附近的車輛、機器的振動引起的，能明顯地反映出結構的固有頻率，因為結構的脈動是因外界不規則的干擾所引起的，具有各種頻率成分，而結構的固有頻率是脈動的主要成分，在脈動圖上可以較為明顯地反映出來。因此利用此特性，在控制測試截面的相關部位安裝高靈敏度拾振器，通過智能動態測試分析系統觀測脈動荷載作用下的關鍵點的振動響應，通過建立模型、模態分析可得出橋梁結構的自振頻率和阻尼比等動力特性，同時計算其振型。

（2）跑車試驗。當車輛以一定速度在橋梁上通過時，由于發動機的抖動、橋面的不平順等原因會導致橋梁結構產生振動，通過對其控制截面動撓度（或動應變）的測試，記錄控制截面測點在跑車試驗時的動撓度（動應變）時歷曲線，對其進行分析處理得出活載沖擊系數，進而判斷橋梁結構的行車性能和橋面的平整程度。

脈動試驗測點布置在主橋每5m處布設豎向加速度拾振器，以測量橋梁振動基頻和振型；跑車試驗是在全掛梁中心位置布設動撓度觀測測點，采用一輛300kN的重車分別以車速10km/h 、20km/h和30km/h勻速通過橋跨結構。

4.3 理論計算

本次試驗采用midas civil 2015建立動力模型（見圖1），并對主橋進行動力響應計算，最終計算出主橋結構的一階模態理論振型及頻率，如圖5所示。

4.4 動載荷試驗結果

（1）脈動試驗測試結果。

（3）動載荷成果分析。由圖6～7及其對應表可看出該橋主橋結構的一階實測自振頻率為3.13Hz，較大于理論計算值2.96Hz，表明主橋結構的實際剛度能滿足設計要求；主橋結構實測一階振型與理論計算振型基本一致，說明該橋橋梁結構工作狀態良好；另外通過模態分析計算得出主橋的一階阻尼比為5.34%，在經驗值1.0%～8.0%之間，說明主橋結構耗散外部能量輸入的能力相對較強，振動衰減較快。

由圖8計算可得：主跨結構在重車以10km/h、20km/h、30km/h勻速行駛作用下，最大動撓度為2.744mm，最大沖擊系數為0.055，均相對較小，說明該橋橋梁結構的行車性能均較好，橋面的平整程度良好。

5 結束語

橋梁載荷試驗是一項復雜而細致的工作，文章利用橋梁有限元分析軟件Midas Civil 2015建立橋梁有限元模型，結合荷載試驗數據分析和判定橋梁的承載能力和動力性能，為該橋今后運營養護及長期健康狀況評價提供基本結構原始參數。

參考文獻

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