城市橋梁動靜載試驗分析

1.引言

近年來，隨著橋梁設計水平和施工技術的提高，很多新材料、特殊結構形式及新工藝應用到橋梁建設上來。但施工過程中存在的管理不到位，使用不合格材料等因素，導致橋梁在建成時就有病害，運營過程中可能出現的超載車輛，使病害進一步加強。因此，為評定橋梁設計成果和施工質量、結構承載能力，保證橋梁通車后能安全運營，需要對剛竣工的橋梁進行承載力檢測，即橋梁動、靜載實驗。

圖1 靜載試驗控制截面布置圖

2.工程概況

本文針對武漢市墨水湖北路高架一聯3*30米預應力混凝土連續梁進行動、靜載檢測實驗分析。平面位于半徑R=400米的圓曲線上，箱梁采用單箱三室截面，梁頂板結構寬26米，梁高2.0米，梁體采用C50 混凝土，箱梁采用縱、橫雙向預應力體系。斷面為雙向六車道，設計車速為60km/h，汽車荷載：城-A 級。

圖2 A-A、B-B、C-C 斷面測點布置圖

3.靜力荷載試驗

3.1 檢測內容及斷面布置

靜載試驗內容包括主梁控制截面的應力和撓度，依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》CJJ/T 233-2015 中關于橋梁荷載試驗的有關規定，結合橋梁受力特點，在滿足評定橋梁承載能力的前提下，按最不利效應的原則，本橋靜載試驗控制斷面設置在跨中最大正彎矩處、支點截面最大剪力處，共5 處，如下圖1所示。

在上述五個檢測斷面中，布置5個（A～E）應力檢測斷面，3個（A～C）撓度檢測斷面。各檢測斷面的應變檢測點設置在各截面箱梁底板和腹板；剪力檢測點布置在主梁中性軸處；撓度檢測點布置在截面的橋面板上。各斷面的檢測點布置如下圖2～4所示。

圖3 D-D 斷面測點布置圖

圖4 E-E 斷面測點布置圖

3.2 橋梁結構有限元模型的建立

根據設計圖紙，采用有限元軟件Midas建立空間有限元模型，并進行靜、動力計算和分析，分別計算試驗車輛作用下，各種靜力工況下結構的內力、位移等參數，以便與實測數據進行對比。

圖5 橋梁結構有限元模型

3.3 靜力試驗加載及加載工況

靜力試驗荷載既要保證結構的安全性，又能暴露出結構的承載能力。根據橋梁相關檢測規范規定，靜載試驗的荷載效率系數為：0.95 ＜ηq ＜1.05。按照控制內力或變位等效原則，確定本次靜力試驗工況及荷載。本次試驗荷載采用單車總重40噸，前軸軸重約為8噸，后軸軸重約為32噸，前軸距L1 為3.8m，后軸距L2 為1.4m 的六輛試驗車輛。

因本橋平面處于圓曲線上，加載方式包含中載和偏載兩種加載工況。荷載按三級加載，加載完成后，按兩級卸載。各試驗工況和荷載效率如表1所示：

表1 靜載試驗各工況及荷載效率系數

表2 不同工況下各截面最大應變統計表 單位：με

表3 不同工況下各截面最大豎向撓度結果統計表 單位：mm

3.4 靜載結果及分析

各工況滿載作用下，各截面實測最大應變和根據空間有限元模型理論計算值如表2所示：

各工況滿載作用下，各截面實測最大豎向撓度和根據空間有限元模型理論計算值如表3所示：

由上述兩表可以看出，結構在各靜載試驗工況下，實測最大應變為理論應變的0.73倍，實測最大撓度為理論撓度的0.79倍，校驗系數均小于1.0，實際承載能力滿足設計要求。撓度實測值均小于理論計算值，最大撓跨比為1/8219，遠小于規范允許的1/600，結構剛度滿足設計要求。

4.動力檢測布置

橋梁動載實驗主要包括結構自振特性實驗和行車動力響應實驗。檢測參數包括：自振頻率、阻尼比、沖擊系數、動應變、動撓度等。通過橋梁結構實測動力參數與理論計算參數的比較，從而判斷結構整體剛度是否滿足設計要求。

4.1 結構動力分析及工況

4.1.1 根據已建立的空間有限元模型，進行橋梁結構動力響應分析，得到其振型、自振頻率和阻尼等參數。

4.1.2 自振特性實驗工況

橋梁結構在橋面無交通荷載及穩定振源，主要由風荷載、地脈動等隨機激勵下引起微幅振動響應，產生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集，由動態信號采集分析儀進行信號處理得到結構實測自振頻率和阻尼比。

4.1.3 行車動力響應參數試驗工況

（1）跑車試驗：用一輛載重40噸的實驗車輛分別以20、30、40km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速駛過橋梁，測試結構的動力響應。

（2）跳車試驗：在跨中截面布置障礙物（寬30cm，高7cm），用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速，勻速駛過障礙物進行跳車實驗，測試結構的動力響應。

（3）制動試驗：用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速行駛，在實驗截面位置緊急剎車，激發橋梁的水平振動，測試結構的動力響應。

以上工況下產生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集，進行信號處理得到結構動力響應。

4.2 動載試驗結果、分析

4.2.1 振動特性實驗結果

通過對橋梁結構理論分析和脈動測試信號分析，得到橋梁一階自振頻率、阻尼比和實測值。

由表4數據可以看出，橋梁基頻實測值為4.79Hz，大于理論計算值4.40Hz，結構剛度滿足設計要求。

表4 振動頻率表 單位：Hz

表5 檢測截面跑車實驗沖擊系數實測值

表6 有障礙行車實驗檢測結果

表7 制動實驗檢測結果

4.2.2 無障礙跑車試驗

通過測試橋梁結構在行車過程中動撓度來計算結構的實際沖擊系數，各實驗跨實測沖擊系數如表5所示：

沖擊系數是反應橋梁在運營階段工作狀況的一個重要指標，它與橋梁的線型、橋面平整度都存在直接關系。從表5可以看出，橋梁結構在車速為40km/h 時沖擊系數最大，實測沖擊系數（1+μ）在1.02～1.07之間，均小于理論計算值1.25，滿足規范要求。

4.2.3 有障礙行車實驗

在檢測跨中截面布置障礙物（寬30cm，高7cm），用一輛加載車以20km/h 車速，勻速行駛過障礙物進行跳車試驗，測試結構的動力響應，測得的動撓度如表6所示：

由表6數據可以看出，橋梁結構反應平穩，最大動撓度及沖擊系數都滿足規范要求。

4.2.4 制動實驗

用一輛加載車以30km/h 車速勻速行駛至實驗跨截面處立即剎車至停止，測得的動撓度結果如表7所示：

由表7數據可以看出，橋梁結構反應平穩，最大動撓度及沖擊系數都滿足規范要求，結構動力性能較好。

5.結論

通過對本橋進行不同工況下的靜、動載實驗，及對檢測數據進行整理分析表明，該橋工作性能較好，承載能力達到設計要求。