基于全橋荷載試驗的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋承載力評估

常智慧，喬文庭,2，馬鳴谷，哈 圖,2

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710000)

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)形式的公路橋梁不斷涌現(xiàn)出來，橋梁的跨徑、橋面寬度和結(jié)構(gòu)承載能力在不斷增長，橋梁的施工，計算和分析方法也在日趨復(fù)雜，某些處于特殊地區(qū)的公路橋梁還存在較多耐久性問題。隨著交通量的不斷增大和橋梁服役年限的增加，橋梁出現(xiàn)了不同程度病害，甚至破壞，這些問題嚴(yán)重影響了公路橋梁的承載能力。因此，在公路橋梁結(jié)構(gòu)服役前，合理的評估其承載能力和可靠度指標(biāo)十分必要。

全橋荷載試驗是通過施加車輛荷載，引起橋梁的振動和變形，從而測得橋梁結(jié)構(gòu)某一關(guān)鍵部位的應(yīng)力、撓度等變化，為橋梁結(jié)構(gòu)的評價提供參考[1]。目前關(guān)于橋梁荷載試驗的研究成果較多，田志勇等[2]對自錨式懸索橋進(jìn)行了荷載試驗，分析了橋跨結(jié)構(gòu)在行車激振下的沖擊性能；羅國權(quán)[3]通過對鋼筋混凝土橋梁在4種重型車輛作用下的荷載試驗，得到梁跨最大正彎矩、支點負(fù)彎矩處斷面的抗彎、抗剪及基礎(chǔ)承載能力；李勇等[4]以鋼筋混凝土T梁舊橋為研究對象，通過常規(guī)試驗獲得結(jié)構(gòu)承載力驗算系數(shù)，進(jìn)而評定了服役舊橋的極限承載力。

本文以新建G7高速公路橋梁為依托，對已建成的公路橋梁進(jìn)行橋梁荷載試驗，通過分析試驗數(shù)據(jù)，綜合評定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，為交工驗收提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

G7公路為新建北京到新疆高速公路，2017年7月通車，選取其中的一座公路橋進(jìn)行試驗研究。烏蘭艾力格2#大橋位于S312附近，橋位軸線呈近東西走向，橋梁為跨越河流而設(shè)置，橋位區(qū)地貌類型為河漫灘地貌，河谷寬闊，地勢平緩。中心樁號為K649+350，起點樁號為K649+297，終點樁號為K649+403，橋梁全長106m，采用5×20m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，簡支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。單幅橋面寬度為0.5m(防撞墻)+12.75m(行車道)+0.5m(防撞墻)，橋梁設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，主橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

2 荷載試驗設(shè)計及原理

2.1 有限元模型

采用土木工程通用有限元分析軟件Midas Civil對橋梁進(jìn)行模型計算，有限元模型如圖2所示。

圖2 梁格法有限元模型

2.2 加載效率及工況

本次荷載試驗為交工驗收荷載試驗，以設(shè)計荷載作為控制荷載，靜力檢測荷載(活載部分)效率η按下式取值。

(1)

0.85≤μ≤1.05

(2)

式中η表示設(shè)計取用的沖擊系數(shù)；Ss表示檢測荷載作用下，控制截面變形或內(nèi)力的計算值；S表示設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載荷載作用下，控制截面變形或內(nèi)力的計算值(不計沖擊系數(shù))。

靜載檢測采用等效荷載控制加載。本次檢測所選取的η值均滿足上述要求，檢測荷載所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)能夠滿足對梁的力學(xué)性能檢驗和分析要求。

加載工況的確定主要依據(jù)以下原則進(jìn)行。

(1)在滿足荷載效率及試驗?zāi)康那疤嵯拢虞d工況進(jìn)行合并、簡化，以減少加載位置，同時兼顧其他截面不產(chǎn)生超過其最不利荷載效應(yīng)的情況；

(2)每一加載工況依據(jù)某一加載試驗項目為主，兼顧其他加載試驗項目。

通過模型計算，靜載試驗各工況荷載效率如表1所示。

表1 各工況荷載效率

說明：表中理論值均為設(shè)計偏載效應(yīng)作用下邊梁理論計算值；表中試驗值均為試驗偏載效應(yīng)作用下邊梁試驗計算值。

3 橋梁靜載試驗分析

靜載試驗通過施加靜荷載，檢驗結(jié)構(gòu)主要受力部位在最大(最小)內(nèi)力下的應(yīng)力和變形[5-6]。本橋為左右幅分離5跨連續(xù)箱梁橋，以左幅試驗進(jìn)行分析，右幅加載情況相同。靜載試驗采用UCAM-60B靜態(tài)速采儀采集靜載過程中橋梁的靜態(tài)應(yīng)變及撓度變化情況，試驗加載車輛采用總質(zhì)量50t的三軸車進(jìn)行加載，布載形式依據(jù)控制截面內(nèi)力影響線來確定，并滿足荷載效率要求。

3.1 加載方案及測點布置

為了滿足橋梁承載力設(shè)計評定要求，在選擇測點布置截面時，應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，選擇最不利受力位置。加載過程分三個等級，靜載正式開始前先進(jìn)行預(yù)壓，保證應(yīng)變片及位移傳感器接觸良好，然后按照預(yù)先設(shè)計好的加載方式開始正式加載，對于工況I、II，第一級加載為一輛車然后每級增加一輛車；而工況Ⅲ，第一級和第二級各一輛車；第三級增加兩輛車，全部加載完成待數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，并按加載的反向進(jìn)行卸載。各工況車輛加載示意圖如圖3所示。

(a)工況I加載車輛布置圖 (b)工況II加載車輛 (c)工況Ⅲ加載車輛布置圖圖3 設(shè)計車輛荷載布置圖(單位：mm)

為綜合評定橋梁的承載能力，對工況I、II采用跨中截面偏載加載方式，選取跨中截面作為應(yīng)力、應(yīng)變及撓度的測試截面，斷面測點布置如圖4所示；對于工況Ⅲ(4#墩頂最大負(fù)彎矩)，測試加載過程中應(yīng)力應(yīng)變變化情況，斷面測點布置如圖5所示。

圖4 工況I、II橫斷面測點布置圖(單位：m)

圖5 工況Ⅲ橫斷面測點布置圖(單位：m)

3.2 靜載試驗結(jié)果分析

3.2.1 撓度測試結(jié)果

撓度是反映承重結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的重要指標(biāo)，靜載試驗得到三級加載下工況I、II跨中截面各測點的撓度實測值，并與有限元計算值進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如表2、表3所示。由表2分析結(jié)果可以看出，在對邊跨主梁最大正彎矩加載過程中，跨中截面撓度實測值均小于計算值，校驗系數(shù)在0.44～0.49之間。

表2 工況I撓度測試結(jié)果

由表3分析結(jié)果可以看出，在對次邊跨主梁最大正彎矩加載過程中，跨中截面撓度實測也小于計算值，校驗系數(shù)在0.50～0.53之間。

表3 工況II撓度測試結(jié)果

對各工況殘余值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要控制測點撓度相對殘余撓度值在-0.01～-0.12范圍內(nèi)，相對殘余最大為5%，說明橋梁彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)，圖6和圖7反映了控制截面實測值與計算值的關(guān)系，分析可知實測值與計算值線性關(guān)系較好，相關(guān)度均在0.95以上，表明結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

圖6 工況I撓度理論值與實測值擬合關(guān)系圖7 工況II撓度理論值與實測值擬合關(guān)系

3.2.2 應(yīng)力測試結(jié)果

表4和表5為公路橋箱梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的應(yīng)力分析結(jié)果，通過對應(yīng)變計算得出各梁靜載作用下的應(yīng)力值。對于工況I(邊跨最大正彎矩)，測點應(yīng)力校驗系數(shù)在0.51～0.64之間，實測值小于計算值，相對殘余不大于6%；對于工況II(次邊跨最大正彎矩)，測點應(yīng)力校驗系數(shù)在0.47～0.77之間，實測值小于計算值，相對殘余不大于6%；說明橋梁在靜荷載作用下彈性變形能力較好。

表4 工況I應(yīng)力測試結(jié)果

表5 工況II應(yīng)力測試結(jié)果

表6 工況III應(yīng)力測試結(jié)果

對于工況Ⅲ(4#墩頂最大負(fù)彎矩)，在車輛靜載作用下，腹板上部產(chǎn)生的壓應(yīng)變很小，進(jìn)而計算得到的應(yīng)力較小，故只分析墩頂梁底應(yīng)力，表6給出了加載過程中箱梁底部應(yīng)力的對應(yīng)數(shù)據(jù)，對于1號梁應(yīng)力實測值略大于計算值，但都小于0.35MPa，其余梁實測值均小于計算值，測點應(yīng)力校驗系數(shù)在0.38～0.57之間，相對殘余不大于13%。

(a)工況I應(yīng)力變化趨勢曲線 (b)工況II應(yīng)力變化趨勢曲線 (c)工況III應(yīng)力變化趨勢曲線圖8 各工況應(yīng)力變化趨勢曲線

(a)工況I梁底應(yīng)力變化曲線 (b)工況II梁底應(yīng)力變化曲線 (c)工況III梁底應(yīng)力變化曲線圖9 各工況下梁底應(yīng)力變化趨勢曲線

圖8為工況I、II、III各截面測點應(yīng)力變化趨勢曲線，從圖上可以看出：應(yīng)力實測值與計算值變化規(guī)律一致，且實測值均小于計算值，表明橋梁各梁連接工作性能良好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有一定的富余。將同一箱梁底部測得的兩個應(yīng)力值取平均數(shù)，得到梁底應(yīng)力變化趨勢，如圖9所示。圖9表明，偏載作用下4號梁應(yīng)力值最大，依次呈下降趨勢。

4 橋梁動載試驗分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能主要包括：振型、阻尼系數(shù)、固有頻率等，是反映結(jié)構(gòu)振動的基本特性，結(jié)構(gòu)的動力特性只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，如材料性質(zhì)、支撐情況、結(jié)構(gòu)剛度等，與荷載無關(guān)。動載試驗是利用某種激振方式引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，進(jìn)而測定結(jié)構(gòu)某截面的動力響應(yīng)，不僅反映了橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài)，還反映了動載作用下行車的舒適性。結(jié)構(gòu)在服役期間一旦有較大損失，其動力參數(shù)將會產(chǎn)生大的變化[7]，本次動載包括無障礙行車試驗和脈動試驗。

4.1 模態(tài)試驗及結(jié)果分析

根據(jù)橋梁脈動試驗原理測試豎向平面內(nèi)彎曲自振特性[8-9]，當(dāng)橋面無動荷載以及附近無規(guī)則振動的條件下，采用高靈敏拾振器測試系統(tǒng)得到橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比如表7所示，并與有限元軟件的到的計算值進(jìn)行比較，豎向一階振型圖如圖10所示。

表7 脈動測試結(jié)果

由表7可以看出：該橋豎向一階振型特征頻率為6.90Hz，阻尼比為0.689，而該橋振型模型計算頻率為5.64Hz，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較好，滿足設(shè)計要求；實測阻尼比較小，表明橋梁整體工作性能良好，具有一定的耗能能力。

圖10 豎向一階振型示意圖

4.2 無障礙行車試驗及結(jié)果分析

在無任何障礙的條件下，載重車(總重500kN)分別以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的速度行駛過橋梁結(jié)構(gòu)，測定橋梁在運(yùn)行車輛作用下的動力反應(yīng)。通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在動載作用下的動撓度，并分析得出橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，行車試驗測試截面選取邊跨和次邊跨的跨中截面，取二者平均值作為最終的沖擊系數(shù)，并與設(shè)計值進(jìn)行比較，結(jié)果如表8所示。由表可知，實測沖擊系數(shù)介于1.04～1.14之間，均小于計算得到的沖擊系數(shù)值1.32。

表8 跨中截面沖擊系數(shù)

5 結(jié)論

通過對該橋的有限元分析計算以及現(xiàn)場試驗比較可以得到以下結(jié)論。

(1)靜載試驗荷載效率為1.02～1.04之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG TJ21-01-2015)的要求，同時試驗荷載表明所產(chǎn)生的最不利效應(yīng)可反映設(shè)計規(guī)范可變荷載效應(yīng)的特征。

(2)橋梁主梁控制截面撓度實測值小于計算值，校驗系數(shù)在0.44～0.54之間，表明主梁結(jié)構(gòu)豎向剛度滿是設(shè)計要求，卸載后最大相對殘余變形為5%，說明主梁結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好，無不可恢復(fù)變形。

(3)橋梁實測應(yīng)力校驗系數(shù)在0.38～0.77之間，表明主梁各控制截面靜力受力性能滿足承載力要求，各工況卸載后相對殘余較小，表明結(jié)構(gòu)在靜載作業(yè)下處于彈性工作狀態(tài)。

(4)動力測試結(jié)果顯示，實測豎向一階頻率6.90Hz大于計算頻率5.64Hz，沖擊系數(shù)范圍為1.02～1.20，均小于計算值1.32，表明結(jié)構(gòu)豎向動剛度良好。