新建變截面連續箱梁橋靜動載試驗與性能評價

王燕 張飛

（福建江夏學院工程學院，福州 350108）

大跨度橋梁竣工后需要進行成橋荷載試驗，將試驗結果作為評定工程質量優劣和結構性能是否達到設計要求的重要指標［1］。橋梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，廣泛應用于新建、改建和加固的各類型橋梁，是檢驗結構性能和工作狀態最直接有效的方法［2-6］。現有橋梁荷載試驗的研究［7-10］中，通過靜載試驗中控制截面的應力、應變和撓度校驗系數來評價橋梁的承載能力，通過測點的相對殘余應變來評價橋梁的彈塑性工作狀態；通過動載試驗中結構的自振特性和沖擊系數評價橋梁的動力特性。受偏載扭轉翹曲效應和箱梁剪力滯效應影響，現場試驗中同一截面橫向各測點的結構受力狀態是不同的，需要對結構效應橫向分布不均勻程度進行測定，以達到檢驗和優化原結構設計參數的目的。

本文以尤溪水東大橋主橋為工程背景，開展靜載試驗、環境脈動試驗和無障礙行車試驗，分析橋梁的強度、剛度、自振特性、動力響應等技術指標，檢驗橋梁的設計和施工質量，評價結構的承載能力和工作性能，為橋梁的竣工驗收和投入運營提供理論依據。

1 工程概況

尤溪水東大橋位于福建省省道304線火甲坑至尤溪城關公路段，其市區側主橋為一聯（36+56+36）m 預應力混凝土變截面連續箱梁橋。全橋按雙向4車道設計，設計荷載為公路-Ⅱ級。主梁分左右兩幅，單幅橋面寬12 m，橫橋向布置為0.25 m 欄桿+3.75 m 人行道+7.50 m 行車道+0.50 m 防撞護欄。單幅橋采用變截面單箱單室斜腹板箱梁，支點處梁高3.4 m，跨中梁高1.9 m，梁底曲線按二次圓曲線變化。箱梁頂板寬12 m，兩側懸臂長2.5 m，底板寬5.1 ～6.1 m，腹板斜率為3∶1。

下部主墩采用薄壁花瓶墩，墩身和基礎單幅設置，墩身厚1.6 m，承臺厚2.5 m，基礎為雙排4 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁基礎。支座采用GPZ（KZ）系列抗震盆式橡膠支座，9#墩設置GPZ（KZ）15GD 和GPZ（KZ）15DX 型，10#墩設置GPZ（KZ）15DX 和GPZ（KZ）15SX 型。主梁除0 號塊及邊跨直線段采用支架現澆外，其余梁段采用對稱懸臂澆筑施工，共劃分6個懸澆梁塊，長度為3 ～4 m。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立全橋有限元模型，全橋離散為118 個梁單元。9#墩支點處除了繞橫橋向轉動自由外，其他自由度全部約束。8#，10#，11#墩支點處除了繞橫橋向轉動和縱橋向平動自由外，其他自由度全部約束。靜力計算時考慮預應力張拉后鋼束截面效應的換算截面積和慣性矩，采用公路-Ⅱ級車道荷載。采用子空間迭代法進行結構自振特性分析，將主梁自重和二期恒載轉換為x，y，z方向的質量。

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗評價指標

1）結構校驗系數η是靜載試驗中對比結構實際狀態和理論狀態的評價指標，其表達式為

式中：Se為試驗工況下測點彈性應變或撓度的實測值；Ss為試驗工況下測點應變或撓度的理論計算值。

若η不大于1，表明實際結構具有良好的工作性能，承載能力具有一定的安全儲備。

2）橫向增大系數ζ是反映結構效應橫向不均勻分布程度的評價指標。其表達式為

式中，Semax為試驗工況下同一截面橫向各測點彈性應變或撓度的最大值；-Se為試驗工況下同一截面橫向各測點彈性應變或撓度的平均值。

ζ越小，荷載橫向分布越均勻，偏載引起的扭轉翹曲效應越不顯著。對于箱形截面梁橋，一般要求ζ不大于1.15，此時主梁的抗扭剛度大，整體性和橫向連接情況良好。

3）相對殘余應變或撓度ΔS是反映結構彈性工作狀態的評價指標。其表達式為

式中：Sp為試驗工況下測點殘余應變或撓度的實測值；St為試驗工況下測點總應變或撓度的實測值。

ΔS越小，結構越接近彈性工作狀態。一般要求ΔS小于20%。

錯誤分析理論（Error Analysis）的提出是二語習得領域的一個新發展，同時它的興起和出現也成為從事語言教學的工作者和學者們一個全新的研究視角。美國應用語言學家Fries和其他一些研究者在二語習得中系統地研究語言的錯誤現象，并提出錯誤分析理論。到二十世紀六七十年代，該理論被英國語言學家科德（S.P.Corder）進一步發展后最終形成錯誤分析理論。

3.2 試驗截面與測點布置

通過有限元模型對主橋進行靜力分析，得到結構在車輛荷載作用下的彎矩包絡圖，選取結構最不利受力截面作為試驗控制截面，包括：①8#—9#墩邊跨最大正彎矩截面（A-A），距離8#墩中心15 m，大致位于0.4L（L為跨度）位置；②9#墩墩頂最大負彎矩截面（B-B），考慮橫隔板構造，選取距離9#墩中心2 m 位置；③9#—10#墩主跨最大正彎矩截面（C-C），位于跨中。選取8#—9#墩邊跨和9#—10#墩主跨的L/4，L/2，3L/4 作為撓度測試截面，編號依次為1—6。靜載試驗測試截面布置見圖1。

圖1 靜載試驗測試截面布置（單位：cm）

根據控制截面的彎矩影響線確定靜載試驗的車輛重量和加載位置，以截面彎矩等效原則設計試驗荷載工況，并滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》［11］中試驗荷載效率為0.95 ～1.05的要求。靜載試驗工況與控制截面對應，見表1。

表1 靜載試驗工況

為分析偏載下結構受力狀態沿橫向的分布情況，每個箱梁斷面的頂底板各布置3 個應變測點，全橋共計18 個應變測點。每個箱梁斷面設置2 個撓度測點，1 個位于防撞護欄內邊緣，1 個位于人行道緣石處，全橋共計12個撓度測點。斷面測點布置見圖2。每次加載前采集數據初值，持荷時間滿足15 min 后測讀測點效應，卸載穩定15 min后測讀測點殘余應變。

圖2 斷面測點布置（單位：cm）

試驗中采用4輛后雙排軸平頭載重汽車，車重和載重共40 t。前軸重10 t，后雙軸重30 t，前中軸距4.3 m，后雙軸距1.4 m。加載汽車沿橫向布置2輛，采取偏載的布置形式。橫向輪位布置參見圖2。

3.3 應變測試結果

不同試驗工況下各截面測點應變及評定參數、相對殘余應變分別見表2 和表3。其中，拉應變為正，壓應變為負。

由表2 可知，各測試截面測點的應變實測值均小于理論值，應變校驗系數為0.59 ～0.89，表明結構有良好的工作性能，強度具有一定的安全儲備。同一測試截面頂底板的應變橫向增大系數為1.02 ～1.07，滿足箱梁橋橫向增大系數不大于1.15的要求，表明荷載橫向分布均勻，主梁抗扭剛度大，整體性好，因偏載作用引起的約束扭轉正應力較小。

表2 不同試驗工況下各截面測點應變及評定參數

表3 不同試驗工況下各截面測點相對殘余應變

由表3可知，卸載后大部分測點無殘余應變，少數測點出現殘余應變。相對殘余應變最大值為6%，出現在主跨跨中截面的箱梁底板，但遠小于JTG/T J2l—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》［12］中的限值20%，表明結構大部分位置處于彈性工作狀態。

3.4 撓度測試結果

表4 不同試驗工況下各截面撓度及校驗系數

不同試驗工況下各截面測點撓度見圖3。可知，各測試截面的撓度實測值均小于理論值，且二者沿橋梁縱向的變化規律比較一致。同一測試截面上2個測點的撓度實測值相差較小，表明荷載橫向分布較均勻，結構的整體性好。

圖3 不同試驗工況下各截面測點撓度

4 動載試驗

4.1 動載試驗的內容和方法

橋梁動載試驗是通過測試橋梁在動載作用下的響應，分析其固有頻率、阻尼比、振型等自振特性，以及車輛荷載作用下的位移或應變的動力響應，進而分析沖擊作用。上述參數是宏觀評價橋面平整度、結構整體剛度、運營性能，以及耗散外部振動能量的重要指標［13-15］。

本文采用脈動法和行車激振法進行動載試驗。脈動法利用周圍環境引起結構發生的振動響應進行自振特性測試。行車激振法通過不同車速的行車激振測定結構的動應變時程曲線和沖擊系數。實測沖擊系數是確定車輛荷載對橋梁動力作用的重要技術參數，反映了橋梁結構的行車性能和橋面的平整度，同時檢驗原設計沖擊系數［16］。

4.2 環境脈動試驗

測試自振特性時，按照結構的振型特征在變位較大位置處布設橋面拾振器。為了得到準確的結構振型形狀，在邊跨5 等分位置和主跨8 等分位置布設DH612 型加速度傳感器，測點間距約7 m，加速度傳感器的有效頻率范圍為0.17 ～80 Hz，靈敏度為0.3 V/（m·s-2）。采用DH5920 動態數據采集儀采集橋梁在環境荷載作用下的豎向振動加速度信號，采樣頻率為200 Hz，每個測點采樣時間為30 min。

測試該橋在環境荷載作用下的豎向加速度時程曲線，通過自功率譜分析得到結構豎向模態頻率譜，見圖4。對試驗模態進行分析，識別出該橋前3階自振頻率和阻尼比，見表5。可知，該橋各階自振頻率的實測值大于理論值，表明實際橋梁結構整體剛度較大，有較強的抗沖擊性能。實測豎向1 階自振頻率為2.57 Hz，阻尼比小于5%，屬于低頻、小阻尼振動。

圖4 豎向模態頻率譜

表5 振動模態參數

主橋前3 階振型見圖5。可知，豎向1 階振型呈正對稱豎彎，符合3跨連續梁橋的振型特點。

圖5 主橋前3階振型

4.3 無障礙行車試驗

在橋面無障礙的情況下，一輛40 t 載重汽車分別以20，30，40 km/h 的車速勻速通過橋跨，使結構發生強迫振動，測試主跨跨中截面測點的應變時程曲線，對車輛的沖擊作用進行評定。每個車速工況重復2次，同一車速工況下的沖擊系數取2次試驗的最大值。

通過測試主跨跨中在不同車速行車激振下的動應變時程曲線，計算出各試驗工況下的沖擊系數，見表6。可知，各車速工況引起的動應變較小，實測沖擊系數為0.024～0.113，最大值出現在40 km/h 時，表明該橋橋面平整度好，車輛對結構的沖擊效應較小。設計時采用沖擊系數0.15，結構仍是偏安全的。

表6 各車速工況下實測沖擊系數

5 結論

1）靜載試驗中，箱梁頂底板的應變橫向增大系數為1.02 ～1.07，表明荷載的橫向分布均勻，主梁的抗扭剛度大，整體性好。少數測點出現相對殘余應變，其最大值為6%，表明結構大部分位置處于彈性工作狀態。結構強度具有一定的安全儲備。

2）靜載試驗中，撓度實測值和理論值沿橋梁縱向的變化規律比較吻合。結構剛度具有一定的安全儲備。

3）環境脈動試驗中，結構各階自振頻率的實測值大于理論值，表明實橋整體剛度較大。實測豎向1 階自振屬于低頻、小阻尼振動，振型特征為正對稱豎彎。

4）無障礙行車試驗中，實測的沖擊系數為0.024～0.113，表明該橋橋面平整度好，車輛對結構的沖擊效應較小，原設計沖擊系數是偏安全的。