大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋測試技術研究

張來強

(貴州省交通科學研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

某公路橋梁上部結構采用箱型拱橋，其荷載按汽車-20級和掛車-100級確定，橋面凈寬為9 m。橋梁建設完畢后，為對其質量與通車安全性進行評定，委托專業機構對其開展荷載試驗。現以本工程為例，對其測試技術作如下深入分析和介紹。

2 測試內容

(1)現狀普查。采用現狀普查的方法能掌握橋梁在竣工交付使用以后軸線情況和是否存在病害，如混凝土裂縫與剝落，以此為之后的內力計算和荷載方案制定等提供可靠參考依據。

(2)靜載試驗。在橋梁試驗荷載條件下，對各個控制截面實施應力測試；在橋梁試驗荷載條件下，對各個控制截面實施撓度觀測。

(3)動態試驗。在橋梁動力荷載條件下，對結構動力響應進行測定，包括動力系數、動應力及動位移；在橋梁動力荷載條件下，對結構動力特征進行測定，包括自振頻率、阻尼系數與衰減。

3 靜載試驗

3.1 加載車輛

通過驗算，試驗荷載為汽車-20級。為了有效減少汽車的數量，縮短試驗時長，以截面內力為依據，實施等效換算，使荷載效率保持在0.8～1.0范圍內。在本次試驗中，共采用3臺23 t汽車，3臺20 t汽車與9臺13 t汽車。

3.2 工況分析

在本次試驗中，共設置了23個工況，其測試內容為：

(1)邊跨：在加載條件下對拱頂截面進行應力測試；(2)邊跨：在加載條件下對L/4截面進行應力測試；(3)邊跨：在加載條件下對A岸拱腳截面進行應力測試；(4)邊跨：在加載條件下對B岸拱腳截面進行應力測試；(5)邊跨：在加載條件下對拱頂截面進行撓度測量；(6)邊跨：在加載條件下對L/4截面進行撓度測量；(7)中跨：在加載條件下對拱頂截面進行應力測試；(8)中跨：在加載條件下對拱頂截面進行撓度測量。

3.3 加載流程

在現場試驗過程中進行分級加載，第一級荷載為總荷載40%，第二級荷載為總荷載70%，第三級荷載為總荷載100%，施加完一級荷載后，應持荷5～10 min，且卸荷穩定時間按10～15 min控制。

3.4 結果與分析

在靜載試驗條件下，撓度測量結果為：邊跨跨中撓度為5 mm，邊跨L/4截面撓度為4 mm，中跨跨中撓度為5 mm；應力測試結果如表1所示。

表1 靜載試驗條件下橋梁應力測試結果(MPa)

在試驗的條件下，現場實測撓度值比理論值小，而且比規范值更小，檢驗系數處于允許范圍，同時卸載之后的殘余變形很小，說明結構處在理想狀態。

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首先，荷載效率處在0.8～1.0范圍內，屬于基本荷載試驗，重點截面的應力狀態和設計基本相同，整個橋梁的力學狀態均正常；承載力滿足設計要求，可正常、良好使用。

4 動載試驗

4.1 加載工況

工況一：由兩輛車在沿橋梁軸線相對稱的位置按30 km/h的速度做勻速行駛；

工況二：由兩輛車在沿橋梁軸線相對稱的位置按40 km/h的速度做勻速行駛；

工況三：由兩輛車在沿橋梁軸線相對稱的位置按50 km/h的速度做勻速行駛；

工況四：由兩輛車在沿橋梁軸線相對稱的位置按60 km/h的速度做勻速行駛；

工況五：由一輛車在橋梁L/2位置按50 km/h的速度進行緊急剎車；

工況七：由一輛車在橋梁L/4位置進行跳車試驗。

4.2 結果與分析

(1)動力特性

對結構而言，其自振特性由結構自身各項固有性質決定，用于表述結構振動系統具有的各項基本特征，是后續動力分析需要參考的依據。在本次測試中，于橋梁跨中施加沖擊荷載，并進行環境隨機振動，促使結構產生相應振動信號，再通過分析處理獲得固有頻率及阻尼比，在測試過程中，利用加速度計對振動信號進行拾取，再利用計算機采集所有振動信號，并作必要的記錄與分析處理，分析結果如表2所示。

表2 橋梁動載試驗動力特性分析結果

(2)動力響應

在橋梁動荷載試驗條件下，結構自身動力響應為結構和振動系統持續作用產生的結果，在本次試驗中，通過對橋梁結果在各類車輛動載條件下的影響特性測定來獲取動力響應，包括動力數、動應力與動位移，具體結果如表3所示。

表3 橋梁動載試驗動力響應分析結果

對表2、3數據進行處理后可得以下結果：(1)邊跨自振頻率為1.201 Hz；(2)邊跨阻尼比為0.036 6；(3)邊跨混凝土動應變為19.4；(4)邊跨加速度為0.295 cm/s2；(5)邊跨應變增大系數為1.128。

測試橋跨在縱向豎直方向上的一階頻率可確定為1.201 Hz，相應的阻尼比為0.036 6；當以30～60 km/h的速度進行試驗后，應變增大系數處于1.041～1.128之內。根據以上數據，該橋梁沖擊效應不明顯，說明結構具備一定抗沖擊性，然而，應變及其增大系數與加速度都有伴隨車速提高而增大的可見趨勢。

5 結束語

綜上所述，橋梁測試，尤其是大跨徑橋梁的測試對保證橋梁運營安全具有重要作用和意義，必須引起相關部門及人員的高度重視，根據橋梁實際情況和特點，確定適宜的測試內容，然后采用適當的方法開展試驗與測試，以保證試驗與測試結果的真實性、準確性，為質量和安全性評定提供可靠參考依據。