橋梁靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)研究

范 瑛， 張 雷

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

橋梁靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)研究

范 瑛， 張 雷

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)受力部位的撓度、位移和應(yīng)力變化;通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，了解橋梁對(duì)動(dòng)載激勵(lì)的總體反應(yīng)，判斷橋梁的總體結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)在力學(xué)特性，為橋梁的安全使用提供依據(jù);通過(guò)靜、動(dòng)載試驗(yàn)研究和理論計(jì)算分析，評(píng)定橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，工程的可靠性，以及在實(shí)際使用荷載下的工作性能;為橋梁的使用、維修和管理提供依據(jù)。

橋梁； 靜載試驗(yàn)； 動(dòng)載試驗(yàn)

五峰縣兩河口大橋橋梁采用(55+100+55)m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和(2×25)m等高度變截面連續(xù)梁[4]，橋型布置見(jiàn)圖1。

橋梁跨度布置為55+100+55=210 m，全寬21 m，左、右兩幅橋關(guān)于道路中心線對(duì)稱(chēng)布置，采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁底由直線段、圓曲線段和2.8次拋物線段組成。中支點(diǎn)處梁高(箱梁中心線處)8 m，邊支點(diǎn)及中跨跨中梁高(箱梁中心線處)2.8 m。

圖 1 橋梁應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

1 橋梁靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)采用350 kN載重汽車(chē)加載，試驗(yàn)各工況下所需要加載車(chē)輛的數(shù)量，將根據(jù)試驗(yàn)荷載作用下，某工況計(jì)算效應(yīng)值和標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，某工況計(jì)算效應(yīng)值以及計(jì)算用的動(dòng)力系數(shù)來(lái)確定試驗(yàn)荷載效率[1]，即采用內(nèi)力等效的原則計(jì)算，使試驗(yàn)荷載效率滿足上述規(guī)定，計(jì)算出各控制截面的內(nèi)力影響線，并進(jìn)行靜力加載計(jì)算，給出合適的加載輪位布置圖。

2 應(yīng)力測(cè)試

1)在試驗(yàn)邊跨梁端附近斷面(1-1斷面)箱梁腹板上布置剪應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試梁端箱梁腹板剪應(yīng)力變化情況；

2)在試驗(yàn)邊跨距邊墩23.5m處斷面(2-2斷面)箱梁頂?shù)装迳喜贾脝蜗驊?yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試邊跨跨中附近斷面箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況；

3)在中間墩墩頂附近的箱梁斷面(3-3斷面)頂?shù)装宀贾脝蜗驊?yīng)力測(cè)點(diǎn)，在腹板布置剪應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試中間支點(diǎn)斷面箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力及腹板剪應(yīng)力變化情況；

4)在試驗(yàn)跨1/4L跨中斷面(4-4斷面)和跨中斷面(5-5斷面)布置單向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試中跨1/4L跨和跨中斷面頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況。

5)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，圖中所設(shè)置的斷面對(duì)右幅混凝土箱梁布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

3 位移測(cè)試

橋梁在各墩墩頂處橋面、邊跨跨中、中跨1/4跨、1/2跨、3/4跨處橋面左右側(cè)布置撓度測(cè)試。

4 加載工況

1)工況1：邊跨梁端斷面最大剪力對(duì)稱(chēng)加載(加載效率η=99.1%)(350 kN加載車(chē)9輛)；

2)工況2：邊跨跨中斷面最大彎矩對(duì)稱(chēng)加載(加載效率η=99.8%)(350 kN加載車(chē)9輛)；

3)工況3：中間墩墩頂附近箱梁斷面最大負(fù)彎矩對(duì)稱(chēng)加載(加載效率η=96.2%(350 kN加載車(chē)9輛)；

4)工況4：中跨跨中斷面最大彎矩對(duì)稱(chēng)加載(加載效率η=102.8%)(350 kN加載車(chē)9輛)。

圖2 試驗(yàn)用三軸載重汽車(chē)

圖 3 試驗(yàn)用連通管測(cè)撓度

5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，實(shí)際測(cè)量預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁最大剪應(yīng)力0.36 MPa，計(jì)算值均小于理論計(jì)算值0.43 MPa，剪應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.72～0.84之間，且卸載時(shí)，箱梁各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余應(yīng)變較小，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗剪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求以及在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)[5]。

表1 1-1斷面剪應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

5.1 工況2測(cè)試結(jié)果

1)應(yīng)力 由表2可以看出，實(shí)際測(cè)量預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板最大拉應(yīng)力0.79 MPa均小于理論計(jì)算值0.94 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.70～0.86之間，且卸載時(shí)，箱梁各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余應(yīng)變較小，表明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求以及箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

表2 2-2斷面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2)撓度 由表3測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際測(cè)量橋面最大撓度值3.6 mm均小于理論計(jì)算值4.8 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.75之間，且卸載時(shí)，箱梁各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余應(yīng)變較小，表明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

表3 荷載作用下55 m邊跨撓度測(cè)試結(jié)果

5.2 工況3測(cè)試結(jié)果

1)應(yīng)力：由表4測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際測(cè)量預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板最大壓應(yīng)力-0.41 MPa均小于理論計(jì)算值-0.52 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.58～0.81之間，且卸載時(shí)，箱梁各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余應(yīng)變較小，表明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求以及箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

表4 3-3斷面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2)撓度 由表5測(cè)試可以看出，實(shí)際測(cè)量橋面最大撓度值9.4 mm，均小于理論計(jì)算值14.3 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.59～0.71之間，均小于1[2]，且卸載時(shí)，箱梁各撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余撓度較小，表明箱梁抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求以及箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

表5 工況3荷載作用下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果

5.3 工況4測(cè)試結(jié)果

1)應(yīng)力 由表6測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際測(cè)量預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板最大拉應(yīng)力0.31 MPa均小于理論計(jì)算值0.38 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.54～0.82之間，且卸載時(shí)，箱梁各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余應(yīng)變較小，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

表6 4-4斷面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2)撓度 由表7測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)際測(cè)量橋面最大撓度值為3.6 mm均小于理論計(jì)算值5.5 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.57～0.74之間，均小于1，且卸載時(shí)，箱梁各撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余撓度較小，說(shuō)明箱梁抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求以及箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

5.4 裂縫觀測(cè)結(jié)果

各工況下加載過(guò)程中，對(duì)主要受力部位的混凝土進(jìn)行了裂縫監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁未出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象[6]。

6 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

6.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

表8為脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，二階豎彎頻率實(shí)際測(cè)量值為3.65 Hz，均大于理論計(jì)算值2.76 Hz，橋梁豎向動(dòng)力剛度滿足要求[3]。實(shí)際測(cè)量阻尼比在1.8%～2.8%之間，在合理范圍之內(nèi)。

3.3.1 步行方式下養(yǎng)老服務(wù)設(shè)施可達(dá)性 從圖4a可以看出，步行方式下養(yǎng)老服務(wù)設(shè)施的可達(dá)性值普遍偏低，城區(qū)外圍有鄰近大型養(yǎng)老服務(wù)設(shè)施的個(gè)別街道可達(dá)性很好.具體結(jié)果為：1)可達(dá)性值高的街道是花樓、西馬街道，周邊分布有許多老年公寓；可達(dá)性較高的有諶家磯街道、佛祖嶺和藏龍島辦事處，街道內(nèi)分布有規(guī)模較大的社會(huì)福利院.2)可達(dá)性值一般的有長(zhǎng)青、月湖、漢興、水塔街道，街區(qū)內(nèi)有武漢市社會(huì)福利院、江夏區(qū)僑亞康瑞頤樂(lè)園老年公寓等養(yǎng)老設(shè)施.3)可達(dá)性值較低的集中在江漢、江岸、青山和東西湖區(qū)；可達(dá)性低的街道占比超過(guò)一半，大都處于中心城區(qū)，老年人較為集中且養(yǎng)老設(shè)施規(guī)模小.

表7 工況4荷載作用下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果

表8 橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

6.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

橋梁跑車(chē)試驗(yàn)的車(chē)速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h，表9為強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量振幅值。

表9 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)主梁各測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量振幅值 mm

由表9可以看出，跑車(chē)試驗(yàn)時(shí)橋梁主梁豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為1.04 mm，10 km/h跳車(chē)試驗(yàn)時(shí)中跨跨中豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為1.69 mm，原地跳車(chē)試驗(yàn)時(shí)中跨跨中豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為0.67 mm。

3)沖擊系數(shù)實(shí)際測(cè)量值

橋梁的豎向一階頻率為1.47 Hz[7],沖擊系數(shù)的取值為：

當(dāng)f<1.5 Hz時(shí),μ=0.05。

當(dāng)1.5 Hz≤f≤14 Hz時(shí),μ=0.1767lnf-0.0157。

可以得到的橋梁的沖擊系數(shù)取值為：μ=0.05。

表10 沖擊系數(shù)實(shí)際測(cè)量值

7 靜載試驗(yàn)結(jié)論

7.1 靜載試驗(yàn)[8]

通過(guò)對(duì)五峰縣兩河口大橋及引橋靜載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，可得出結(jié)論如下：

1)各試驗(yàn)聯(lián)實(shí)際測(cè)量應(yīng)力均小于理論計(jì)算值。橋梁剪應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.72～0.84之間，彎曲應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.54～0.86之間；應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明橋梁及引橋強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2)實(shí)際測(cè)量橋梁及撓度均小于理論計(jì)算值，橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.57～0.75之間；引橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.66～0.80之間；表明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和鋼箱梁抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3)在偏心荷載作用下，橋梁偏載系數(shù)在1.08～1.20之間，引橋?qū)τ曳鶚蚱募虞d時(shí)，對(duì)左幅橋影響較小。

4)各工況下加載過(guò)程中，對(duì)主要受力部位的混凝土進(jìn)行了裂縫監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁和引橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁未出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象。

5)卸載時(shí)，橋梁撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量殘余撓度較小，說(shuō)明箱梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。

7.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)論[8]

1)橋梁一階豎彎頻率實(shí)際測(cè)量值2.65 Hz，大于理論計(jì)算值1.47 Hz，橋梁豎向動(dòng)力剛度滿足要求。實(shí)際測(cè)量阻尼比在1.8%～2.8%之間，在合理范圍之內(nèi)。

2)跑車(chē)試驗(yàn)時(shí)橋梁主梁豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為1.04 mm，10 km/h跳車(chē)試驗(yàn)時(shí)中跨跨中豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為1.69 mm，原地跳車(chē)試驗(yàn)時(shí)中跨跨中豎向最大振幅實(shí)際測(cè)量值為0.67 mm。

3)實(shí)際測(cè)量引橋沖擊系數(shù)最大值為0.29，小于規(guī)范取值0.31。實(shí)際測(cè)量橋梁沖擊系數(shù)最大值為0.06，略大于規(guī)范取值0.05。

4)由測(cè)試結(jié)果可以得出：實(shí)際測(cè)量結(jié)果與計(jì)算值有較好的吻合性，在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況處于彈性范圍。

[1] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院. 公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程: JTG/T J21—2011/ 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院主編.[M]. 北京：人民交通出版社, 2011.

[2] 本社. 城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[3] 王自彬, 岳渠德, 趙金環(huán),等. 動(dòng)力荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(1):14-16.

[4] 周凌宇, 余志武, 賀桂超. 大跨度開(kāi)口鋼箱-混凝土組合梁工作性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 43(12):4881-4887.

[5] 陸新征，葉列平，謬志偉，建筑結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[6] 王守立. 橋梁工程混凝土質(zhì)量通病防治措施[J]. 科技風(fēng), 2010(2):164.

[7] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[M]. 北京：人民交通出版社, 2004.

[8] 周旺保. 鋼—混凝土組合箱梁及其框架結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能分析[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2013.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

The Static and Dynamic Load Test of Bridges

FAN Ying, ZHANG Lei

(SchoolofCivilEngin.andarchitecture,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

In the paper, the static load test is used to measure the deflection of structure stress position,displacement and stress changes through; the dynamic load test is used to understand the dynamic characteristics of bridge structure and the overall reaction dynamic excitation and judge the overall structure of the stiffness of the bridge and the mechanical properties to provide the basis of safe use for the bridge；the static, dynamic load test study and theoretical analysis are conducted to evaluate the bridge structure actual bearing capacity and engineering reliability in actual use and its performance under load. It provides the basis for the use and the repair and the management of the bridge.

bridge; static load test; dynamic load test

2016-04-29

范 瑛(1969-)， 女,湖北黃州人,湖北工業(yè)大學(xué)教授,研究方向?yàn)槁窐驅(qū)I(yè)路基路面工程

張 雷(1990-)，男，安徽黃山人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榈缆放c橋梁

1003-4684(2017)02-0095-04

U446.1

A