某V 撐剛構橋荷載試驗研究

韓保衛HAN Bao-wei

（中鐵一局集團橋梁工程有限公司，渭南 714000）

0 引言

連續剛構橋起源于德國，歷史悠久，由于其受力合理施工簡便被廣泛建造，中國第一座連續剛構橋于20 世紀八十年代建成，經過幾十年的發展技術已經十分成熟，且演變出眾多類型，本橋作為景觀橋也可看作連續剛構橋的一個變種。荷載試驗作為橋梁投入使用前驗收的一項重要指標，對橋梁整體性能的評定具有重要的意義，經過對該橋進行外觀檢查與靜載試驗等現場工作與大量的理論計算、數據分析、歸納和整理，可對該橋的技術狀況、承載能力檢測進行評定及建議，完成預訂的各項檢測任務。另外，也能對成橋后運營階段的養護與維修提供基礎資料。

1 工程概況

某市景觀橋一座，總長49.16m，采用雙幅設計，橋孔布置為12m+20m+12m，橫斷面布置與道路相同為5.5m（人行道）+22m（行車道）+5.5m（人行道）=33m。該橋上部結構采用12m+20m+12m 鋼筋混凝土板拱結構，下部結構橋墩采用墻式墩。梁橋總體布置圖如圖1 所示。

圖1 橋梁總體橋梁布置圖

道路等級為城市次干路，設計車速30km/h，橋梁設計荷載等級：城-A 級。

2 試驗內容

2.1 外觀檢測

橋梁外觀的檢測分為三部分，即：橋面系、上部結構和下部結構。橋面系主要包括：橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、人行道欄桿、防排水系統、照明、標志、橋面線形等；上部結構主要包括：主梁和支座；下部結構主要包括橋臺、橋墩等。

2.2 靜載試驗

本次荷載試驗選定此橋左幅作為加載和測試的主要橋孔結構；選定其它橋孔作為輔助驗證加載和測試橋孔結構。該橋各控制截面及測試項目如圖2 和表1 所示。

圖2 加載和測試截面布置示意圖

表1 控制截面加載情況與測試項目表

①應變測試。采取在箱梁梁底測試位置粘貼電阻應變片，由電阻應變片將結構應變轉換成電信號，通過電阻應變測試系統接收和放大又將電信號以微應變值給出測試結果。根據各斷面測試內容，應力（應變）測點布置如圖3所示。

圖3 應力（應變）測點布置圖

②撓度（變形）測試。通過在梁體測試斷面設置變形測點，用高精度全站儀進行測量。根據各斷面測試內容，變形測點布置如圖4 所示。

圖4 變形測點布置圖

注：圖4 適用于A-A、C-C、D-D、E-E、F-F 截面位移測點布置，每斷面設3 個變形測點。

③裂縫測試。裂縫檢測包括裂縫長度、寬度和深度檢測。采用合格的量尺量測裂縫長度，采用讀數顯微鏡量測 裂縫寬度，采用非金屬超聲波檢測分析儀檢測裂縫深度。裂縫寬度和深度檢測方法分別見圖5、圖6 所示。

圖5 裂縫寬度測試示意圖

圖6 裂縫深度測試示意圖

2.3 動載試驗

對該橋結構進行動載試驗測試，以確定橋梁結構的相關動力特性參數，并結合理論分析結果，綜合評定橋梁結構動力特性。①脈動試驗，利用自然環境，如大地脈動、風荷載等對橋梁的激勵，測試橋梁的動力參數，如自振頻率、阻尼比等。②行車試驗，以一輛重約40t 車輛以不同速度通過橋梁，記錄余振波形，測試橋梁動力響應，如沖擊系數等。

3 模型建立

此為混凝土連續箱梁橋，整個橋梁主要受力結構由主梁、橋墩、橋臺和基礎組成。為了能夠真實地反映橋梁結構的空間受力狀態，本次使用有限元程序—MIDAS 建立空間有限元模型，對其進行靜力計算和分析。

通過MIDAS 軟件建立有限元模型的主要步驟如下：①結構離散化。根據結構特點和選定的單元類型，劃分單元和結點，并對結點和單元予以編號。②結構描述，選定整體坐標系。輸入確定結構幾何、材料、荷載和支承條件的全部數據和各種信息以及有關的控制變量等參數。③單元特性計算。根據單元類型、單元結點號和結點坐標系以及有關信息，分別算出局部坐標系下的單元剛度矩陣和等效結點荷載等。④組集結構總剛度矩陣和荷載總矢量。⑤求解結構的靜力平衡方程組計算所有的未知結點位移。⑥根據單元結點位移和單元剛度矩陣計算各個單元應力。⑦求解結構的動力平衡方程組（特征值方程）可得到結構的自振頻率（周期）和振型等參數。

該橋上部結構有限元計算模型如圖7 所示。

圖7 橋梁計算模型

對該橋控制截面進行最不利加載，計算各種工況下結構的理論變形與應力。

4 試驗過程及測試結果

①靜力試驗選擇在氣溫變化不大和結構溫度趨于穩定的時間段內進行；②靜力試驗荷載持續時間，原則上取決于結構變位達到相對穩定所需要的時間，只有結構變位達到相對穩定后，才能進入下一荷載試驗階段。一般每級荷載到位后穩定10 分鐘即可測讀；③全部測點在正式加載試驗前均應進行零級荷載讀數，以后每次加載或卸載后應讀數一次。試驗時選在結構變位較大的測點，每隔5 分鐘觀測一次，以觀測結構變位是否達到相對穩定；④若在加載試驗過程中發生下列情況之一時，應立即終止加載試驗：1）控制測點應力超過計算值并且達到或超過按規范安全條件反算的控制應力時；2）控制測點變位超過規范允許值時；3）由于加載試驗使結構出現非正常的損傷或局部發生損壞，影響橋梁承載能力和今后正常使用時。

4.1 試驗過程

靜載試驗工況按照本橋的內力影響線和位移影響線確定。現場靜載試驗按照控制截面設計荷載的內力（位移）等效加載，則采用3 輛40 噸的試驗車輛。

為確保試驗加載過程中結構安全，根據本橋的實際情況和理論分析結果，先采用兩輛車在1/4 斷面加載，然后通過分析對比試驗數據和理論數據，確認結構安全的情況下再在跨中位置加載，最后再進行三輛車加載。

根據測試內容，全橋靜載試驗共分為7 個荷載工況，分別如下所示：工況1：第1 跨2L/4 雙車對稱加載；工況2：第2 跨L/4 雙車對稱加載；工況3：第2 跨2L/4 雙車對稱加載；工況4：第2 跨2L/4 三車偏心加載；工況5：第2跨L/4 三車偏心加載；工況6：第1 跨L/2 三車偏心加載；工況7：卸載（殘余變形）。

4.2 應變（應力）測試結果

工況1 下各控制截面應力（應變）理論值、實測值及校驗系數如表2 所示，表中“+”表示拉應力，“-”表示壓應力）。通過對該上部結構在各工況作用下各測試截面應力實測結果與相應的理論計算結果進行對比分析后可以得到以下結論：①該橋上部結構在各工況作用下各測試截面應力的實測計算值小于混凝土抗拉設計值，說明結構混凝土表面本身完好；②該橋上部結構在各工況作用下各測試截面應力校驗均小于1（0.6～0.9），表明橋梁結構強度良好；③由以上對應力測試結果的分析可知：該橋的強度滿足設計要求。

表2 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數

4.3 變形測試結果（表3、表4）

表3 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數

表4 卸載后的殘余應變及相對殘余應變表

通過對該橋上部結構在各工況作用下各測試截面位移實測結果與相應的理論計算結果進行對比分析后可以得到以下結論：①在各種工況作用下，該橋上部結構各測試截面實測變形值均小于計算跨徑的L/800，橋梁處于小變形狀態。②在試驗荷載作用下，該橋控制截面的實測位移值小于于理論計算值，即位移校驗系數小于1.0（0.7～1.0），說明該橋的靜力剛度良好。③結構最大相對殘余變位值小于20%，根據相關規定，判定荷載試驗過程中橋梁結構處于彈性工作階段。④整個靜載試驗過程中，各測點的豎向位移均未發生較大異常變化。⑤由以上分析結果可以得出，該橋主梁結構靜力剛度良好。

4.4 裂縫測試結果

試驗前對全橋上下部結構是否存在有裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等情況進行核查記錄，核查結果顯示，未發現上述情況，故本次試驗中不進行裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等發展情況進行觀察和測試。

4.5 動載測試結果

通過現場脈動試驗及理論計算，得出該橋自振頻率的理論值、實測值如表5 所示，豎向功率譜密度曲線如圖8所示。橋梁上部結構動力特性狀態指標評定結果見表6所示。

圖8 豎向功率譜密度圖

表5 該橋自振頻率理論值、實測值列表

表6 該橋阻尼比實測值

本次沖擊系數采用實測動位移時程曲線計算各車速的行車沖擊系數1+μ，各車速的行車沖擊系數1+μ 如表7

表7 行車沖擊系數理論計算值與實測值對照表

所示。動位移時程曲線及跑車時程曲線如圖9、圖10 所示。

圖9 動位移時程曲線

圖10 跑車試驗時程圖

綜上所述：

①本橋的沖擊系數滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》、《公路橋梁承載能力檢測評定規程》評定的要求，是安全的；②本橋的跑車、剎車和跳車實測動撓度較小，滿足橋梁的運營安全要求和相關規程的規定；③本橋的自振頻率大于理論頻率值，說明該橋動力剛度滿足要求。

5 結語

荷載試驗能夠精密有效的檢測橋梁的受力狀態，通過橋梁外觀、靜載、動載等的試驗，對其應變、撓度、裂縫等項目有著很好的檢測效果，且操作簡便，所以被作為橋梁投入使用前的一種驗收手段而廣泛使用。