簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋成橋動(dòng)靜載試驗(yàn)研究

王文忠

（吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春130022）

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，跨線橋、立交橋、城市高架橋等越來(lái)越多。其中一些橋梁由于設(shè)計(jì)、施工外荷載作用、超載等原因，個(gè)別橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損傷及垮塌現(xiàn)象。因此為了使橋梁能夠安全的運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)橋梁進(jìn)行必要的檢查及維護(hù)，然而僅僅依靠傳統(tǒng)的的儀器檢測(cè)設(shè)備已不能滿(mǎn)足對(duì)橋梁健康檢查的要求［1］。這就要求我們必須通過(guò)更加精確合理的方式進(jìn)行檢測(cè)。目前比較常用的檢測(cè)方法是動(dòng)靜載試驗(yàn)法。

橋梁的動(dòng)靜載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，試驗(yàn)前應(yīng)先計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)或期望荷載下的最不利的組合值，并求出最不利截面的荷載內(nèi)力影響線，然后在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下盡量選用與控制荷載相同類(lèi)型的荷載，利用其內(nèi)力影響線對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最不利布載，此最不利荷載即是試驗(yàn)荷載。確定試驗(yàn)荷載后，通過(guò)布置應(yīng)變計(jì)、加速度傳感器、位移傳感器等測(cè)出橋梁的豎向自振頻率和沖擊系數(shù)。

本文的工程實(shí)例是簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋。簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋涉及到體系轉(zhuǎn)換及支點(diǎn)負(fù)彎矩的問(wèn)題，在對(duì)此橋梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)采用的檢測(cè)方法是常用的動(dòng)靜載試驗(yàn)法。此方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量準(zhǔn)確。已在國(guó)內(nèi)橋梁檢測(cè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

DK19＋972立體交叉橋位于明長(zhǎng)公路DK19＋972處，鐵路與公路實(shí)際交角為87°，公路橋設(shè)計(jì)角度為90°，橋下鐵路凈空按鐵路橋規(guī)“橋限－2”控制，實(shí)際凈高為12.90m。橋全長(zhǎng)66m（兩橋臺(tái)耳墻端點(diǎn)之間的距離），橋梁起點(diǎn)樁號(hào)為K19＋939，橋梁終點(diǎn)樁號(hào)為K20＋5，中心樁號(hào)為K19＋972。橋梁結(jié)構(gòu)為跨徑3×20m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，共計(jì)4片梁，梁高1.2m，主梁上部為10cm整體化混凝土，橋面鋪裝為8cm的C50防水混凝土。

采用雙柱式橋臺(tái)，橋墩采用雙柱式橋墩，柱徑為1.3m。

2 動(dòng)靜載試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)靜載試驗(yàn)前，要進(jìn)行各方面的準(zhǔn)備工作，首先要利用有限元分析軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)模型。由于橋梁結(jié)構(gòu)為跨徑3×20m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，所以在進(jìn)行模型建立時(shí)要模擬體系轉(zhuǎn)換的過(guò)程，把實(shí)驗(yàn)荷載效應(yīng)加到施工階段［2］。在進(jìn)行CAD界面導(dǎo)入的時(shí)候要把橋面鋪裝和主梁放在不同的圖層。圖1為利用橋梁博士建立的有限元模型。

圖1 橋結(jié)構(gòu)有限元模型

橋梁模型建立完畢，根據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范要求，對(duì)于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋需要對(duì)各跨中、支點(diǎn)截面的應(yīng)力和撓度進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。但由于第二跨通行火車(chē)的限制，使得第二跨跨中無(wú)法檢測(cè)，基于此原因，本橋的應(yīng)力檢測(cè)選定為一跨、三跨跨中和中支點(diǎn)3個(gè)控制斷面；撓度檢測(cè)選定為一跨、三跨跨中2個(gè)控制斷面。

3 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)檢測(cè)法是通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，量測(cè)與橋梁結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的具體參數(shù)。如撓度、應(yīng)力、裂縫等。通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)出這些參數(shù)，分析出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此來(lái)判斷橋梁的承載能力。對(duì)于應(yīng)變測(cè)量采用外貼式振弦傳感器，對(duì)橋梁的撓度及變形采用電子精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)前利用Dr.Bridge軟件建立有限元計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)和試驗(yàn)荷載效應(yīng)的計(jì)算。

靜力荷載試驗(yàn)通過(guò)在橋上加載試驗(yàn)車(chē)輛模擬設(shè)計(jì)荷載。為完成上述靜載試驗(yàn)內(nèi)容并達(dá)到檢測(cè)目的，根據(jù)選定的控制斷面和邊、中梁的布置形式，全橋共需要加載下面工況：跨跨中中梁正彎矩、撓度最大值；跨跨中邊梁正彎矩、撓度最大值；三跨跨中中梁正彎矩、撓度最大值；三跨跨中邊梁正彎矩、撓度最大值；支點(diǎn)處邊梁最大負(fù)彎矩；支點(diǎn)處中梁最大負(fù)彎矩。

加載車(chē)輛在試驗(yàn)前要逐一稱(chēng)重、編號(hào)并記錄軸重和軸距。要求：車(chē)輛總重偏差≤±5%，軸重偏差≤±10%。

本次試驗(yàn)為鑒定荷載試驗(yàn)，根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的要求，橋梁的靜力試驗(yàn)按荷載效率η來(lái)確定試驗(yàn)的最大荷載。靜力荷載效率η的計(jì)算公式為：

式中：μ——靜力荷載試驗(yàn)效率系數(shù)；

Ss——靜載試驗(yàn)荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目的計(jì)算效應(yīng)值；

S——設(shè)計(jì)控制荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值；對(duì)于車(chē)輛荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù)μ；

根據(jù)汽車(chē)設(shè)計(jì)荷載在上述截面上產(chǎn)生的荷載效應(yīng)為依據(jù)，在各截面荷載效應(yīng)影響線上進(jìn)行試驗(yàn)加載計(jì)算，使設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)與試驗(yàn)車(chē)荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)之比滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的靜力試驗(yàn)荷載效應(yīng)系數(shù)的要求。靜載試驗(yàn)各工況加載效率系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 靜載試驗(yàn)各工況加載效率系數(shù)一覽表

工況中的主梁變形及撓度擬采用電子精密水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量；各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變采用外貼式振弦傳感器進(jìn)行測(cè)量，用專(zhuān)門(mén)的振弦讀數(shù)儀進(jìn)行采集，并在負(fù)彎矩工況下用裂縫測(cè)寬儀進(jìn)行裂縫觀察和測(cè)量。必要時(shí)，對(duì)于梁體的某些部位用鋼筋定位儀進(jìn)行鋼筋定位檢測(cè)。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

動(dòng)載試驗(yàn)的目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，該性能是判斷橋梁運(yùn)營(yíng)狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一［3］。比如動(dòng)力系數(shù)是確定車(chē)輛荷載對(duì)橋梁動(dòng)力作用的主要技術(shù)參數(shù)，直接影響到橋梁設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)性能；橋梁過(guò)大振動(dòng)可能引起乘客和行人的不舒適；橋梁自振頻率超出某些范圍時(shí)，有引起橋梁共振的危險(xiǎn)。橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)主要圍繞沖擊系數(shù)做文章。實(shí)際的動(dòng)力試驗(yàn)包括以下內(nèi)容：

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：在主梁的某些位置設(shè)置加速度傳感器，進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，可獲得主梁的振動(dòng)頻率；這些頻率可用于結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析，進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布情況。

（2）無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)：計(jì)劃采用2輛重25t的翻斗車(chē)勻速駛過(guò)主橋，預(yù)計(jì)速度從20km／h逐步變化到60km／h。同樣要在主梁上進(jìn)行拾振，記錄結(jié)構(gòu)在不同車(chē)速下的振動(dòng)響應(yīng)。本試驗(yàn)可以得到車(chē)輛對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，建立沖擊系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系曲線，可以獲得最不利車(chē)速。

（3）跳車(chē)試驗(yàn)：計(jì)劃采用1～2輛重25t的翻斗車(chē)，在預(yù)先設(shè)置好的高20～30cm的枕木上落下，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊。也是要在主梁的指定截面進(jìn)行拾振，記錄結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)沖擊后的衰減曲線，通過(guò)該曲線可以獲得結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼系數(shù)。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)主要結(jié)果及分析評(píng)定

4.2.1 橋梁結(jié)構(gòu)基頻

此次動(dòng)載試驗(yàn)采集到每跨兩支座處、跨中、L／4、3L／4的地動(dòng)脈，跳車(chē)工況和跑車(chē)工況的加速度時(shí)程曲線及頻譜圖。通過(guò)支點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，經(jīng)理論計(jì)算該橋梁的一階自振頻率為1.3Hz，實(shí)測(cè)橋梁的一階自振頻率為3.54Hz，動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：橋梁一階自振頻率的振型為全橋反對(duì)稱(chēng)豎彎。測(cè)頻率大于理論計(jì)算值，說(shuō)明該橋?qū)嶋H剛度較大，振動(dòng)響應(yīng)較小，行車(chē)性能正常。圖2示意地脈動(dòng)試驗(yàn)第一跨L／4處測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線及頻譜圖。

圖2 地脈動(dòng)試驗(yàn)L／4處測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線及頻譜圖

試驗(yàn)工況：地脈動(dòng) 第1次試驗(yàn)

測(cè)點(diǎn)位置：一跨中梁1L／4

試驗(yàn)名：地脈動(dòng) 試驗(yàn)號(hào)：1

測(cè)點(diǎn)號(hào)：3

測(cè)試日期：2011－10－30

采樣頻率：100Hz dt：10ms df：0.097 656Hz

數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)：90K點(diǎn)

長(zhǎng)度：900.00s 光標(biāo)位置

頻 率：1.56Hz

4.2.2 沖擊系數(shù)

通過(guò)動(dòng)載實(shí)驗(yàn)獲得橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)是目前獲取沖擊效應(yīng)的唯一可靠的方法。沖擊系數(shù)的測(cè)試通常采用測(cè)試結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)撓度的方法［4］。該橋采用位移傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。試驗(yàn)時(shí)共采用20、30、40、50和60km／h 5個(gè)速度工況。經(jīng)過(guò)比選速度為40km／h測(cè)得的沖擊系數(shù)最大，為0.09 Hz，而理論計(jì)算值為0.05Hz。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)滿(mǎn)足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定值0.117（當(dāng)1.5Hz≤f≤14Hz時(shí)，μ＝0.176 7lnf－0.017 5）。圖3是速度為40km／h時(shí)的位移時(shí)程曲線。

圖3 位移時(shí)程曲線

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)DK19＋972立體交叉梁橋的靜載試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：該橋的靜工作性能良好，正常使用狀態(tài)能滿(mǎn)足公路－Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載的要求，在試驗(yàn)過(guò)程中未見(jiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)處于線彈性工作范圍，試驗(yàn)橋跨的橋墩未產(chǎn)生可觀測(cè)到的沉降變位。

對(duì)于成橋動(dòng)載試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：由地脈動(dòng)、跳車(chē)的實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線及頻譜數(shù)據(jù)可知，該橋橋梁振動(dòng)響應(yīng)較小，行車(chē)性能良好。

當(dāng)然，隨著科技的發(fā)展，人工智能將廣泛地應(yīng)用于橋梁檢測(cè)和分析上［5］。隨著學(xué)科交叉現(xiàn)象日益普遍，一些高新技術(shù)的最新研究成果將應(yīng)用于橋梁檢測(cè)技術(shù)，不斷地推動(dòng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展。

［1］張俊平.橋梁檢測(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2002：43－47.

［2］陳強(qiáng).先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系橋梁施工過(guò)程檢測(cè)及其仿真分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004（5）：126－133.

［3］馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安交通人學(xué)出版社，2000：33－36.

［4］劉博，盛興旺.預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)梁靜、動(dòng)力試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，25（6）：88－93.

［5］吳志勤.橋梁檢測(cè)與發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述［J］.山西建筑，2007，33（13）：278－280.