基于荷載試驗的連續梁橋承載能力評價研究

摘要 橋梁從設計施工到投入使用需經過一系列的檢測工作，其中對橋梁承載能力的檢測及評價尤為重要，其反映了橋梁的整體受力性能、結構動力響應性能等是否滿足設計要求。文章通過具體的橋梁檢測項目，對橋梁承載能力進行評價研究，首先根據設計文件采用Midas Civil軟件對檢測橋梁進行建模，通過在模型中提取各工況下撓度、應變理論值，并與靜載試驗檢測過程中的測量值進行比較，從而評定橋梁的承載能力；其次通過動載試驗，檢驗橋跨結構的健康狀態及在汽車動力荷載作用下橋梁的受迫振動特性，從而評定橋跨結構的動力性能。

關鍵詞 承載能力；Midas Civil；靜載試驗；動載試驗；動力性能

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0033-04

0 引言

隨著我國新建橋梁日益增多，橋梁安全及性能評價日益引起人們的關注。橋梁承載能力檢測直接反映了橋梁的整體性能及安全性能。橋梁荷載試驗檢測通常采用加載車、水箱或其他重物對橋梁進行加載，該方法簡單、直接，能較快得出相應結論，目前正在廣泛使用。基于此，該文以實際工程項目為背景對相應橋梁進行荷載試驗檢測，以評定其承載能力，在保障橋梁安全性能的同時為橋梁養護[1]單位提供養護依據，對后期橋梁運營及養護具有一定的指導及參考作用。

1 工程概況

某橋梁全長88 m，橋跨布置為25 m+30 m+25 m預應力混凝土現澆連續箱梁，橋面全寬9.2 m，凈寬8 m，交角為90 °。上部結構為C50預應力混凝土，其施工工藝和截面形式為采用后張法施工的等截面現澆連續箱梁；下部結構采用樁柱式橋墩和混凝土肋板臺，均采用C30強度混凝土，墩臺基礎為樁基礎。橋面采用瀝青混凝土鋪裝，在橋面兩側現澆鋼筋混凝土防撞護欄。橋梁荷載等級采用公路-I級。

2 模型建立

采用Midas Civil軟件對25 m+30 m+25 m預應力混凝土現澆連續箱梁進行建模，通過添加C50混凝土材料、導入橋梁不同截面，建立節點、單元，設置橋梁支座處的約束條件，再添加二期恒載、移動荷載等參數即可在已建成模型中提取到相關參數，包括各個位置的應力、撓度及橋梁整體的振動頻率、振型等。該模型共建98個節點和97個單元，在荷載方面，混凝土自重取值為26 kN/m3，二期恒載取值為24 kN/m3，移動荷載根據橋規設計為雙向行駛雙車道[2]。橋梁模型見圖1所示，設計荷載作用下橋梁彎矩圖見圖2所示。

3 靜載試驗

3.1 試驗跨的選擇及測點布置

參照公路橋梁荷載試驗規程[3]，并根據現場施工情況，選擇橋梁結構受力最不利的截面進行橋梁荷載試驗檢測，選擇的截面為邊跨最大正彎矩截面、墩頂最大負彎矩截面及主跨最大正彎矩截面，在對應截面的底板、腹板及翼緣板處布置應變測點，同時在對應截面處橋面鋪裝的左中右側分別布置撓度測點。橋梁測試截面布置圖見圖3所示[4]。

3.2 試驗工況及效率系數

為滿足公路橋梁承載能力評定要求，根據公路橋梁荷載試驗規程，該次靜載試驗共設置四個工況，其中工況二為A-A截面、B-B截面的合并檢測工況。加載車輛采用前中軸距為3.8 m、中后軸距為1.4 m、輪距為1.8 m的雙橋車，每車輛總重420 kN，其軸重分配為前軸84 kN、中軸168 kN、后軸168 kN[5]，共有4輛加載車參與加載。靜載試驗效率系數應滿足：

（1）

式中，ηq——靜載試驗效率；Ss——所研究的最不利截面在理論加載中應力或變形的最大計算效應值；S——所研究的最不利截面在控制荷載產生的同一加載作用下，應力或變形的最不利效應計算值；μ——沖擊系數。試驗工況及效率系數表見表1所示，可知各試驗工況效率系數均滿足要求。

3.3 試驗結果

通過靜載試驗測得各測點的撓度變形值和應變變化值，撓度試驗結果見表2所示，應變試驗結果見表3所示。

通過表2可知，在各工況荷載作用下結構撓度校驗系數分別位于0.70～0.78，0.71～0.76，0.76～0.79，0.77～0.80之間；相對殘余變形分別位于8.2%～9.9%，0.0%～9.1%，7.1%～9.6%，3.1%～8.3%之間，撓度校驗系數均小于1.0，相對殘余變形均小于10%[3]。表明結構處于彈性工作狀態，所測橋跨的剛度滿足要求。

通過表3可知，在各工況荷載作用下結構應變校驗系數分別位于0.69～0.81，0.67～0.79，0.69～0.81，0.67～0.83，0.69～0.82之間，相對殘余應變分別位于2.0%～10.6%，3.8%～12.2%，4.2%～14.3%，0.0%～10.4%，2.0%～11.1%之間，應變校驗系數均小于0.9，相對殘余應變均小于20%[3]。測試結果規律正常，結構強度滿足要求，且整個檢測過程中結構無明顯裂縫產生，無異常變形及響動。

4 動載試驗

動載試驗內容主要包括采用脈動法測試橋梁的自振頻率，以及采用無障礙行車試驗測定試驗橋跨受力最不利截面在模擬橋面鋪裝層平順、無坑槽的情況下，橋跨結構在勻速通過車輛作用下的沖擊系數。

4.1 自振頻率

結構1階頻率實測值與理論計算值的比值f1/[ f1]=5.66/4.46≈1.269，2階頻率實測值與理論計算值的比值f2/[ f2]=9.08/6.51≈1.395，3階頻率實測值與理論計算值的比值f3/[ f3]=12.50/7.85≈1.592。實測頻率均大于理論計算頻率，表明橋跨結構的動力性能良好。結構實測的振動頻譜圖見圖4所示。

4.2 沖擊系數

無障礙行車試驗，測試截面在載重車輛以不同車速勻速通過橋梁結構所產生激振作用下的動應變。在橋面無任何障礙的情況下，用1臺重載汽車沿橋梁中心線，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h[6]的速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力響應。結構沖擊系數理論計算值為0.25，第1跨A-A截面無障礙行車動應變時程曲線見圖5～8，實測沖擊系數在0.04～0.07之間；第2跨C-C截面無障礙行車動應變時程曲線見圖9～12，實測沖擊系數在0.04～0.10之間，均小于理論計算值，表明橋跨結構的動力性能良好。圖5～12是以橫坐標單位為秒（s）、縱坐標單位為微應變（με）的時間應變圖。無障礙行車試驗的各工況沖擊系數統計見表4所示。

5 結論

5.1 靜載試驗檢測結果

靜載試驗的撓度、應變檢測結果均小于理論計算值，且整個檢測過程中結構無明顯裂縫產生，無異常變形及響動。所測橋跨結構在現階段的工作狀態，滿足公路-I級設計荷載等級要求。

5.2 動載試驗檢測結果

動載試驗結果表明橋梁實測頻率值均大于理論計算值，橋梁無障礙行車試驗沖擊系數均小于理論計算值[7]，所測橋跨結構的動力性能滿足要求。

參考文獻

[1]公路橋涵養護規范： JTG 5120—2021[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2021.

[2]彭軍. 基于靜載試驗檢測的混凝土斜拉橋承載力評價[J]. 交通科技與管理， 2023（23）： 111-113+117.

[3]公路橋梁荷載試驗規程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2015.

[4]鄧潔， 李曉林， 曹峰. 基于荷載試驗的橋梁檢測分析[J]. 工程建設與設計， 2022（12）： 159-161.

[5]李鑫. 基于荷載試驗的橋梁檢測技術應用分析[D]. 重慶：重慶交通大學， 2021.

[6]丘峰. 基于荷載試驗的橋梁檢測技術應用研究[J]. 黑龍江交通科技， 2023（7）： 83-85.

[7]周帆. 橋梁檢測動靜荷載試驗應用[J]. 運輸經理世界， 2023（20）： 78-80.

收稿日期：2024-02-01

作者簡介：張宇（1994—），男，本科，工程師，從事橋梁檢測工作。