某特大高墩連續剛構橋荷載試驗研究

萬 璐， 蒲黔輝, 嚴 猛

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

雖然我國大規模的土木基礎設施建設期間不長，但由于發展速度過快以及設計規范的簡化、施工質量的不可控等問題，帶來了許多結構安全性、使用性和耐久性方面的隱患[1]。連續剛構橋為超靜定結構，對溫度作用和支座沉降效應敏感，施工中常伴隨一定的結構體系轉換，且施工誤差、現場環境隨機因子這些造成結構損傷的因素無法預知，對既有結構的損傷程度也無法控制和計算[2]。因此，需通過結構現場檢測來確定既有結構的現狀及在設計荷載下結構是否安全可靠[3]。

荷載試驗為常用的橋梁現場檢測方法。根據施加到橋梁上的荷載類型不同，荷載試驗又可分為靜力荷載試驗、動力反應試驗、動力特性試驗和抗震試驗四類[4]。目前，國內在橋梁結構荷載試驗方面進行了很多研究，但對超過90 m的高墩橋梁荷載試驗的研究較少，本文采用前三種現場荷載試驗方法，結合有限元理論分析，對墩高91 m的某特大橋進行了運營前靜、動載試驗，同時闡述了該橋荷載試驗內容、方法、流程，以供今后同類橋梁參考。

1 工程概況

主橋橋跨布置為：95 m+180 m+95 m，為一三跨預應力混凝土連續剛構橋，全長370 m。橋梁平面位于直線上，橫坡單向為2 %，最大縱坡為2.9 %。該橋主梁為單箱單室變截面預應力混凝土連續箱梁，底板寬度6.5 m,頂板寬度12.0 m；跨中合龍段以及邊跨支點處3.8 m等高梁段高4.5 m，主墩支點處16 m長等高梁段高11.0 m，其余梁高按1.8次拋物線規律變化。

2 靜載試驗

該橋由兩幅構成，本文僅針對(左幅)主橋力學性能進行分析。為全面反映橋梁結構(左幅)在正常使用荷載下的受力性能，選取中跨跨中、1/4截面、邊跨三分點處共9個試驗截面，試驗截面布置圖見圖1。

2.1 靜載試驗工況

為了真實模擬橋梁運營階段承受汽車荷載情況并檢驗箱梁斷面的抗扭能力及整體性能，靜載試驗選取中載工況和偏載工況，具體的7個試驗項目見表1。通過有限元軟件Midas/Civil進行布載，最終將以上試驗內容合并為六個荷載工況，分別觀測各個控制截面的應力、撓度以及是否出現異常情況。

圖1 主橋試驗截面布置示意(單位:m)

2.2 靜載試驗荷載

靜力荷載試驗采用載重汽車進行。對每一試驗工況，所需車輛荷載的數量通過設計控制荷載產生的最不利效應值等效換算而得。為保證試驗效果，靜載試驗荷載效率系數應滿足式(1)：

(1)

最終采用軸距為3.8 m+1.4 m的雙后軸載重貨車，加載單車重360 kN，加載布置圖見圖2、圖3。

圖2 工況三、四汽車荷載縱向布置(單位: mm)

(a)偏載車輛橫向輪位布置 (b)中載車輛橫向輪位布置圖3 橫向輪位布置(單位: mm)

由表1可知，試驗跨中、偏載工況的荷載效率系數介于0.99～1.04之間，處于評定規程建議的0.95～1.05的范圍[4]。

2.3 靜力試驗測點布置

由于該橋橋墩高達91 m,采用精密水準儀進行各控制截面的撓度測試。撓度測點共布置17個，根據各控制截面變形的特點和大小，墩頂附近截面分別在左側布置1個測點，中跨1/4截面沿橫向各布置2個測點，中跨跨中和邊跨三分點截面分別沿橫向布置3個測點。應力測點布置于各控制截面箱梁底面、腹板下部及翼板根部處，共35個應力測點，各測點位置見圖4。

表1 靜力試驗荷載工況及對應荷載試驗效率值

2.4 靜載試驗數據測試方法、處理流程

采用混凝土應變片測算結構應變/應力，對環境溫度等因素的補償通過補償點來實現。應變采集、梁體撓度測量、梁體及環境溫度測量分別通過靜態數據記錄系統、精密水準儀、紅外溫度測試儀進行。此外，為實現加載過程的實時控制，保證結構安全，在試驗過程中及時對應力、撓度等實測控制數據進行換算處理，并與試驗設計計算值進行比較，以確保試驗荷載作用下結構的受力性能[6]。

(a)箱梁撓度測試截面撓度測點

(b)箱梁應力測試截面應變測圖4 測點布置

3 動力試驗

動力測試主要包括自振特性測試和行車激勵測試。其中采用脈動法測試該橋的自振頻率、阻尼比和振型；通過行車試驗和跳車試驗進行行車激勵測試，控制截面選擇中跨跨中截面(5#截面)。

行車試驗分有障礙行車和無障礙行車兩種，無障礙行車試驗是在橋面無任何障礙的情況下，分別沿各橋幅中心線同向、同速駛過1輛載重汽車，測定此過程中橋跨結構的動力響應和沖擊系數。跳車試驗需在試驗截面內力影響線峰值對應的橋面處設置一高7.5 cm、底寬30 cm的三角形斷面障礙物，以模擬橋面鋪裝可能出現的局部損傷，以測定橋跨結構在橋面狀態不良時運行車輛荷載作用下的動力響應和沖擊系數。

4 試驗結果及分析

4.1 靜載試驗

4.1.1 梁體撓度

經過計算，各試驗工況下梁體的撓度結構校驗系數介于0.62～0.77之間，處于規范規定的合理范圍，卸載后梁體結構最大殘余變形為7.3 %，低于規范要求值20 %[4]，表明試驗的橋跨結構具有足夠的剛度。由于篇幅有限，圖5、圖6僅列出了部分偏載工況下，梁體撓度實測值及與計算值的比較。

圖5 工況二下撓度實測值及與計算值的比較

圖6 工況六下撓度實測值及與計算值的比較注：面向昭通方向，左手邊為“左側”、右手邊為“右側”；豎向撓度向下為正。

4.1.2 梁體應力

通過現場實測及有限元結構分析軟件Midas/civil計算分別得到了偏載、中載工況下部分試驗截面應力實測值及與計算值，二者比較見圖7～圖10。通過計算得出各試驗工況下截面的應力結構校驗系數介于0.50～0.95之間，試驗截面的應力結構校驗系數均處于規范規定的合理范圍[5]，卸載后梁體結構最大殘余應變為14.3 %，低于規范要求值20 %[5]，表明試驗的橋跨結構具有足夠的強度儲備。同時結果顯示考慮偏載的情況下，各截面的實測應力值均小于理論計算值，表明截面的抗扭、抗翹曲性能良好。

圖7 工況二(偏載)下1#截面應力實測值與計算值的比較

圖8 工況四(偏載)下2#截面應力實測值與計算值的比較

圖9 工況一(中載)下1#截面應力實測值與計算值的比較

圖10 工況一(中載)下2#截面應力實測值與計算值的比較 注：應力受壓為負，受拉為正。

4.2 動載試驗

4.2.1 自振特性測試

結構自振頻率是結構剛度的體現，過低的自振頻率表明橋梁的恢復周期變長，整體剛度下降，不利于結構正常工作[6]。通過環境激勵法測得的橋跨結構實測頻譜圖，再利用功率譜計算自振頻率對應的阻尼比。該橋梁結構的自振特性見表2。從實測結果可以看出：橋梁的實測頻率略高于理論計算頻率，表明該橋的整體剛度較好，具有一定的抗沖擊能力，且實測阻尼比屬正常范圍，表明橋梁的動力性能良好。

表2 橋跨結構自振特性(橫豎前三階模態)

橋跨結構實測豎向和橫向前二階振型圖見圖11～圖14。實測結果表明橋跨結構豎向和橫向振型符合連續剛構橋的受力特性。

圖11 橋跨結構豎向一階振型

圖12 橋跨結構豎向二階振型

圖13 橋跨結構橫向一階振型

圖14 橋跨結構橫向二階振型

4.2.2 激振測試

根據剛構橋的受力特點，激振測試選在中跨跨中5#截面進行。試驗分為行車激振和跳車激振，在不同車速下的中跨跨中截面的行車、跳車沖擊系數曲線見圖15～圖16。

圖15 中跨跨中5#截面行車沖擊系數曲線

圖16 中跨跨中5#截面跳車沖擊系數曲

從圖15、圖16分析可以看出：(1)中跨跨中5#測試截面行車沖擊系數最大值在車速約30 km/h和40 km/h時取得，約為1.03，實測行車沖擊系數介于1.02～1.03之間；(2)中跨跨中5#截面跳車沖擊系數最大值在車速約10 km/h時取得，為1.24，實測跳車沖擊系數介于1.12～1.24之間，表明橋跨結構的激振響應正常；(3)在有障礙行車時，汽車以相較于無障礙行車更小的車速卻對結構產生了更大的沖擊作用，表明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會給橋梁結構受力造成不利影響，應重視橋面鋪裝的設計和維護。

5 結論

根據測試結果分析，橋跨結構的撓度結構校驗系數介于0.62～0.77之間，應力結構校驗系數介于0.50～0.95之間，均處于合理范圍，表明該橋跨結構具有足夠的剛度富余和強度儲備，滿足公路—I級設計荷載等級的要求。同時應力受中載偏載的影響較小，表明該箱梁結構具有較好的抗扭性能。橋梁的實測頻率略高于理論計算頻率，實測阻尼比屬正常范圍，橋跨結構豎向和橫向振型符合連續剛構橋的受力特性，表明橋梁的動力性能良好。橋跨結構測試截面實測行車沖擊系數介于1.02～1.03之間，跳車沖擊系數介于1.12～1.24之間，表明試驗的橋跨結構激振響應正常。