動靜荷載作用下某橋梁改造工程承載能力探究*

孫彥增 莫善彪 周秀坤 牙彩蓮

北部灣大學 廣西 欽州 535011

引言

某橋梁改造工程，橋梁上構擬采用2跨13m預應力小箱梁結構，橋梁全長26.88m，橋梁總寬8m，其中行車道為6m，人行道兩側寬度均為1m。橋梁上部結構采用2m×13m跨徑預應力鋼筋混凝土小箱梁簡支梁橋，下部結構1#橋墩采用單排雙柱式橋墩、樁基礎，0#、2#橋臺樁柱式橋臺、樁基礎，橋梁全長28.94m，橋寬8m。通過對該橋進行成橋動、靜載試驗，分析車輛對橋梁承載力的影響，判斷目前橋梁承載能力是否滿足公路-Ⅱ級要求。

橋梁箱梁編號按橋梁南向北前進方向自左向右進行編號，試驗跨為1#孔。

1 靜載試驗

橋梁的靜載試驗即在靜力試驗荷載作用下，通過測量橋梁結構的變形與內力，判定橋梁結構的實際工作狀態與設計期望值是否相符，進而判斷結構性能。它是檢驗橋梁結構實際性能，如結構的強度、剛度等最直接有效的辦法[1]。

1.1 靜載試驗內容

結合橋梁的結構特點，根據規范選取試驗跨：1#孔跨中截面（A-A截面）進行測試，該橋行車道為6m寬，正載和偏載加載位置差別不大，因此按正載進行加載。

應變測點及撓度測點布置：選取0號臺、跨中、1號墩3個截面，按照每片梁截面6個測點布置，在左、右側面和底面各布設2個測點，測點中心對稱。

1.2 試驗荷載工況

試驗各工況下所需加載車輛的數量，將根據設計標準活荷載產生的某工況下的最不利效應值按下式所定原則等效換算而得：

式中：η——靜力試驗荷載效率，對于驗收性荷載試驗，其值應大于或等于0.85，且不得大于1.05，對于鑒定性荷載試驗，其值應大于或等于0.95，且不得大于1.05；

Sstate——試驗荷載作用下，某工況最大計算效應值；

S ——設計標準活荷載不計沖擊作用時產生的某試驗工況的最不利計算效應值；

μ——設計計算取用的沖擊系數。

表1 汽車荷載作用下控制截面內力及加載效率（單位：kN·m）

根據控制截面彎矩影響線并考慮橫向分布進行等效布置，正式加載前對試驗跨進行了預加載，正式加載包括工況1（正載），考慮到現場情況及加載車輛情況，分2級加載，包括以下步驟：

預加載：1#車（總重力478kN）駛入試驗橋跨，按第一級加載地點停放，檢查測試儀器運行狀況和試驗橋跨狀況，如無異常狀況，然后卸載；第一級加載：1#車駛入試驗橋跨標識的位置；第二級加載：2#車駛入試驗橋跨標識的位置；卸載：2#車（總重力480kN）駛出試驗橋跨， 然后1#車駛出試驗橋跨。

1.3 靜載試驗結果

1.3.1 應變測試。

圖1 1號、2號、3號梁跨中梁底荷載-應變關系曲線

根據橋梁靜載試驗應力（應變）測試結果分析，試驗測試截面測點應力（應變）實測值比理論值小，在各種工況下各測點應力校驗系數ζ在0.74～0.80之間，卸載后各測點相對殘余應變S'P在2.5%～8.1%之間，證明橋梁具有良好的恢復能力，在試驗荷載工況作用下結構在彈性變形范圍內。根據橋梁有限元計算及測試結果綜合分析，橋梁強度滿足設計要求[2]。

1.3.2 撓度測試。從實驗結果可得，實測值與理論值規律基本一致，實測值小于理論計算值，各工況下A-A截面各測點撓度值校驗系數ζ均在0.77～0.80之間，卸載后各測點相對殘余撓度值S'P在3.2%～5.1%之間。試驗荷載工況下橋梁A-A截面最大撓度值為3.39mm，相應的理論計算值為4.24mm，實測最大撓度值遠小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）規定的允許設計值L/600（21.7mm），說明橋梁剛度滿足設計承載要求。

橋梁在靜荷載作用下，試驗梁各測點變位（撓度、沉降）與應變的計算，應依據測量的試驗數據扣除支點沉降的影響，計算跨中截面的實際撓度進行處理。

考慮支點沉降對跨中截面撓度的影響，試驗數據處理時應將跨中截面測得的撓度扣除梁兩端支點沉降的數值[3]，方法如下：

式中：fs——實際撓度值，mm；fz——跨中截面測量測點撓度數值，mm；fa、fb——梁兩端支點沉降的測量數值，mm。

各測點變位（撓度、沉降）與應變計算。

總應變：St=SL-Si；彈性應變：Se=SL-Su；殘余應變：Sp=St-Se=Su-Si

式中：Si——加載前各點的初始值（初讀數）；SL——加載達到穩定時的測值（加載值）；Su——卸載達到穩定時的測值（卸載值）。

2 動載試驗

動載的內容主要包括：脈動試驗、跑車試驗等

2.1 脈動試驗

通過建立橋梁的空間有限元模型，經過有限元計算得到該橋的一階理論振型與頻率，脈動試驗的測試斷面布置在橋跨的L/2位置處，橫向布置在距人行道內邊緣10cm處，1個測試斷面1個測點，根據測量結果，得到實測一階阻尼比為1.920%。

2.2 跑車試驗

該橋為2跨13m簡支梁橋，根據當前的試驗規程、橋梁結構的特點和現場實際情況，選取與靜載試驗相同的跨作為試驗跨，取其跨中截面作為控制截面，動力響應測試截面和測點的布置，其中L為計算跨徑，車輛激勵試驗加載車見表2，整個動載試驗的工況分別為：簡支梁橋5km/h勻速跑車工況、10km/h勻速跑車工況、20km/h勻速跑車工況、15km/h剎車試驗工況、20km/h跳車試驗工況[4]。

表2 試驗用車車牌號、軸間距及軸重力表

實驗結果顯示，5km/h、10km/h、20km/h動應變測點應變分別為12.0με、12.8με、23.2με，是以20km/h行駛時產生的，從數據可以看出振動響應隨時速增大而增大，車速對振動響應有一定影響[5]。

2.3 沖擊系數

5km/h、10km/h、20km/h沖擊系數分別為0.182、0.195、0.208，沖擊系數的最大值為0.208，小于按照規范要求計算得到的沖擊系數理論值0.433，說明橋梁的行車平順性較好。

3 結束語

3.1 靜載試驗部分

3.1.1 橋梁采用重車進行靜載試驗，試驗荷載按公路-Ⅱ級荷載等級進行加載試驗，加載效率滿足0.85～1.05的要求。

3.1.2 在各試驗荷載工況下引起橋梁各不利截面應力分布合理，與有限元計算規律基本一致，各測試截面各測點應變（力）實測值均小于理論計算值，應變校驗系數在0.74～0.80之間，應變相對殘余均小于20%；說明橋梁結構在試驗荷載下工作性能較好，具有良好的恢復能力，承載能力略有安全儲備，在各試驗荷載工況作用下結構在彈性變形范圍內。

3.1.3 實測撓度值及理論計算撓度值對比結果表明，橋梁試驗測試截面各撓度測點實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數在0.77～0.80之間，撓度相對殘余均小于20%，說明橋梁剛度滿足公路-Ⅱ級荷載承載力要求。

3.1.4 在靜載試驗之前、靜載試驗過程中以及靜載試驗之后，在橋梁上都沒有發現裂縫。

3.2 動載試驗部分

3.2.1 該橋一階自振頻率實測值14.50Hz，大于理論自振頻率計算值12.68Hz，表明結構的整體剛度較大，滿足規范要求。

3.2.2 不同車速下的跑車試驗，橋面實測沖擊系數最大值：0.208，小于按現行《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）計算得到的沖擊系數理論值0.433，說明橋梁的行車平順性較好。

3.2.3 在不同速度勻速跑車作用下，各測點的沖擊系數相對較為穩定，剎車和跳車增幅較大，說明保持橋面平整通暢對于減小沖擊荷載很重要。