橋梁工程中荷載試驗檢測分析

文／江西省天馳高速科技發展有限公司 黃勝強 張赟

關鍵字:橋梁工程；靜載試驗；動載試驗；檢測

1 工程概況

某橋梁跨越湖泊，主橋長345.5m，引橋長270m，主跨按30+3*45+30 的五跨一聯結構設計，并在上下行方向按7.0m 間距雙向布置。上部結構為預應力變截面連續箱梁單箱雙室截面及垂直腹板結構，箱梁頂寬18.5m，底板寬12.5m，兩側分別設置2.75m 的挑臂，梁端部和跨中高度1.65m，中跨支座位置的梁高2.5m；腹板支座位置寬75.5m，跨中位置寬45.5m，三塊腹板按相同尺寸設計；底板支座和跨中厚度分別為35.5m 和25.5m，呈線性變化。箱梁頂面設置坡角2%的單向橫坡，并采取剛性扭轉型式。在箱梁箱室內設置預留孔以便后期檢修，箱梁按照縱向預應力體系設計，腹板預應力系統鋼束按照豎彎結構設置，除首個施工段雙向張拉外，其余施工段均通過連接器連接張拉。頂板預應力系統鋼束采用直索+兩頭張拉形式，底板則通過增設齒板錨固。主橋橋寬按0.5m 剛性防撞欄桿+4.5m 人行道+12.5m 車行道+4.5m 人行道+0.5m 欄桿設計，總凈寬度21.5m。橋面設置厚6.5cm 防水混凝土層+厚5cm 的SMA 罩面層。本橋梁主橋設計行車速度60km/h，并按照全橋雙幅、3車道/幅進行車道布置，橋面設計坡度不大于3%，設計行車荷載為城-A 級。

2 荷載試驗檢測分析

進行該橋梁荷載試驗的主要目的在于檢測橋梁結構整體受力性能及承載力狀況，并判斷其受力狀況是否符合設計技術要求和相關規范，據此對橋梁結構的運行狀況進行評定，為橋梁日常運行監測管理提供依據。以下根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG-T-J21-01-2015）及《公路橋涵設計通用規范》（JT GD60-2004）進行本橋梁工程靜動載試驗檢測[1]。

2.1 靜載試驗

2.1.1 試驗荷載

按照JT GD60-2004，本橋梁工程靜載試驗中主要依據荷載效率系數進行最大荷載水平的確定，靜載效率系數按照下式確定：

根據本橋梁工程設計技術文件，在設計荷載下橋梁各橋跨控制截面彎矩值具體見表1 所示。此次靜載試驗屬于鑒定性試驗，荷載效率設計值為0.8 ～1.05，試驗荷載主要為5 臺重量340kN的汽車和1 臺100kN 的汽車，并按照等效彎矩=設計彎矩最大值的要求設置加載載荷位置[2]，所得靜載效率系數取值見表1。

表1 靜載彎矩及荷載效率系數

2.1.2 試驗過程

橋梁結構變形撓度觀測測點沿待檢測橋跨兩側L/4 跨中及3L/4 支點布置，全聯共設置16 個測點，具體通過精密水準儀進行荷載撓度測量。應力應變觀測測點則設置于跨中截面和墩支點截面，全聯共設25 個測點，通過應變采集儀完成應力應變測量。

在試驗檢測前先過磅稱重待加載汽車，并在橋梁結構外列隊等候，準備就緒進行預加載，并全面查看試驗測量設備和儀器性能及讀數準確性。將預加載車輛全部駛出待測橋梁后，將檢測儀器讀數調零，并首次空載讀數。檢測加載開始后，共設置3 個載位，跨中截面實施3 級加載，跨中加載完成后不卸載，并在墩支點截面繼續加載2 臺車，各加載車輛完成加載并穩定30min 后進行讀數。為防止氣溫變化過大對靜載試驗數據造成較大影響[3]，所以本橋梁工程靜載試驗在晚間22:00 ～次日早晨6:00 進行。

2.1.3 試驗結果分析

本橋梁靜載試驗跨中截面及墩支點截面撓度與應力應變試驗結果詳見下表。試驗結果表明，該橋梁荷載作用下截面撓度及應力應變試驗值均比設計值低，最大撓度所對應的殘余變形以及最大應變位置的殘余應變均在20%以內，且各項試驗結果均符合設計技術要求及相關規范。

表2 該橋梁靜載試驗結果匯總

2.1.4 注意事項

靜載試驗必須確保待檢測橋梁結構處于穩定狀態，且試驗檢測過程不能破壞橋梁結構的完整性、影響結構安全性，所以，本試驗過程中主要采用梯度加載的方式，即在試驗過程中逐步增加荷載車輛數量，并以荷載車輛重量為確定和控制加載等級的基本依據，待達設計荷載時應當立即停止加載過程并按設計時間與步驟卸荷。本橋梁工程靜載試驗過程中，荷載車輛增加時車速應控制在5.0km/h 以內，以防止因車速過快引發振動而對橋梁結構產生不利影響，進而影響試驗數據和結果的準確性。

2.2 動載試驗

2.2.1 試驗原理

動載試驗主要通過對動載作用下橋梁結構不同參數變動程度的測試，分析結構振頻、振幅、阻尼等參數，并評價橋梁結構動力特性及承載力水平。與靜載試驗所不同的是，動載試驗無需進行載荷車輛位移量變化的觀測，只需將加速度及振頻傳感器設置在觀測點處通過觀測加速度及振頻變化，了解橋梁結構實時動態變動趨勢。動載試驗包括脈動試驗和強迫試驗兩種，脈動試驗需要長時間觀測和記錄橋梁結構在環境、行車、自重等作用下橋梁結構的振動參數并進行波普分析，所需觀測時間較長，考慮到本次觀測時間短、任務重，所以只進行強迫動載試驗。

2.2.2 試驗過程及結果

在零荷載情況下，通過自然脈動方式進行橋梁結構自有振頻、振幅及阻尼等參數的測量。動載試驗前，在L/2 中跨及L/2邊跨等位置布置2 個測點，采用國家地震局研發生產的速度傳感器進行橋梁結構振動信號測量，數據采集、記錄和存儲通過筆記本電腦完成，再由DASP 動態信號分析軟件分析后得出試驗結果。

試驗開始后，通過1 輛100kN 的汽車分別以30km/h、40km/h、50km/h 的速度行進和剎車，向橋梁施加受迫振動力后進行橋梁結構實際振動頻率、振動幅度和阻尼等的測量。再由1 輛100kN 的汽車在15 ～20cm 高度的墊木上后輪自由下落向橋梁結構施加振動力，測量結構自有振頻、振幅和阻尼。

運用ANSYS 模型并結合所采集到的該橋梁結構邊跨跨中和中跨跨中動載試驗數據計算可得（具體見表3 和表4），該橋梁動載試驗振型實測值比設計值大，說明其結構動剛度實際值大于設計值，沖擊系數也位于正常范圍。

表3 邊跨跨中動載試驗結果

表4 中跨跨中動載試驗結果

3 結論

本文所進行的橋梁結構動載試驗和靜載試驗結果表明，橋梁主梁所能承受的行車荷載為汽超-20 和掛-120，且橋梁荷載試驗過程中結構應力應變、撓度、結構沖擊系數等均符合設計技術和相關規范要求，橋梁結構動力性能良好，故僅需進行部分風化和外部損傷結構的加固維修養護處理即可。