五跨連續(xù)剛構(gòu)橋承載力評(píng)定

王月華，丁漢飛

由于各種車(chē)輛特別是重型車(chē)的迅速增多，導(dǎo)致橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的負(fù)荷日益加重，不可避免地會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，使其承載力降低，因此，為切實(shí)了解新建橋梁的承載力性能和建成后的使用狀態(tài)，需要對(duì)橋梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載的要求制定試驗(yàn)方案，測(cè)定橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作性能和承載力，進(jìn)而評(píng)價(jià)橋梁的施工質(zhì)量。

1 工程概況

浙江某城市剛構(gòu)橋采用縱向布置為雙幅35m＋52m×3＋35m的五跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)引橋采用2×20m連續(xù)梁；橫向采用東、西分離式兩箱四室結(jié)構(gòu)的箱梁橫斷面形式，箱梁頂寬22.1m，底寬2×7.5m，翼緣寬1.5m。梁高沿跨徑按圓曲線變化，跨中及端支點(diǎn)處梁高1.3m，高跨比為1/40，主梁與V型墩相接處梁高2.4m，高跨比為1/21.7。箱梁采用縱向預(yù)應(yīng)力體系，在在V墩縱向南北各7m范圍內(nèi)的邊腹板及中腹板處布置豎向預(yù)應(yīng)力筋。主橋上部、V墩采用C55砼，引橋箱梁采用C50、承臺(tái)采用C30砼，橋墩采用C30砼，主橋鉆孔灌注樁采用C35水下砼，引橋鉆孔灌注樁采用C25水下砼。該橋荷載等級(jí)為城-A級(jí)。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試截面的確定和測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)的目的主要是測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜撓度等靜力效應(yīng)。

確定應(yīng)變測(cè)試截面的原則是將橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下內(nèi)力最不利的截面作為測(cè)試截面。因此，按照橋梁資料和參考文獻(xiàn)[1]中有關(guān)規(guī)定，對(duì)該橋的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，使用橋梁專(zhuān)用程序MIDAS分別繪出了橋梁的有限元分析模型和結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖如圖1-4所示，由包絡(luò)圖即可確定橋跨結(jié)構(gòu)在活載作用下最不利彎矩的具體位置[2,3]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)并結(jié)合外觀檢測(cè)結(jié)果，本橋選取西幅橋進(jìn)行承載力試驗(yàn)，經(jīng)分析確定內(nèi)力最不利測(cè)試工況及其對(duì)應(yīng)的各試驗(yàn)檢測(cè)控制截面位置和控制內(nèi)力見(jiàn)表1和圖5。

為了分析主梁在試驗(yàn)荷載下的混凝土應(yīng)變和撓度狀況，在截面1-1處和2-2處橫橋向各設(shè)置6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和6個(gè)撓度測(cè)試點(diǎn)，測(cè)取試驗(yàn)荷載產(chǎn)生最大響應(yīng)處的撓度與應(yīng)變，測(cè)試截面位置及測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表2，測(cè)試截面位置及測(cè)點(diǎn)位置布置見(jiàn)圖5、圖6。

表1 控制截面位置及控制內(nèi)力

表2 測(cè)試截面位置及測(cè)試內(nèi)容

2.2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)采用八輛加載車(chē)并取其平均車(chē)重作為試驗(yàn)荷載進(jìn)行計(jì)算分析，即前軸重56.9KN，中軸重 122.1KN，后軸重 122.8KN，車(chē)總重為301.8KN。與測(cè)試內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，在此試驗(yàn)荷載作用下，確定測(cè)試工況與工況布載。見(jiàn)圖7-11。

2.3 試驗(yàn)效率驗(yàn)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4,5]的建議與要求，靜載試驗(yàn)效率ηq=Ssat/(S×δ)，其取值范圍為1.05≥η≥0.8。式中Ssat表示試驗(yàn)荷載作用下檢驗(yàn)部位變位或力的計(jì)算值；S表示設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下檢驗(yàn)部位變位或力的計(jì)算值；δ表示動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)三車(chē)道橫向折減系數(shù)為0.8，四車(chē)道橫向折減系數(shù)為0.67。按照本橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)和試驗(yàn)車(chē)輛荷載作用下的荷載效應(yīng)（控制截面最不利彎矩），由此得到各工況下的靜載試驗(yàn)效率，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各試驗(yàn)工況靜載試驗(yàn)效率

2.4 撓度、應(yīng)變計(jì)算值及試驗(yàn)值對(duì)比

通過(guò)靜載試驗(yàn)，可得到各加載工況下各測(cè)點(diǎn)的撓度計(jì)算值、實(shí)測(cè)值及其對(duì)比值，以及各工況下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算值、實(shí)測(cè)值及其對(duì)比值，從而得到各工況下控制截面校驗(yàn)系數(shù)最大值、最小值和平均值?，F(xiàn)以工況I下?lián)隙戎岛蜑槔?，如?所示。

表4 工況Ⅰ下橋跨結(jié)構(gòu)撓度理論值和實(shí)測(cè)值

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)采用靜載試驗(yàn)車(chē)作為動(dòng)載試驗(yàn)荷載，應(yīng)用加速度傳感器、動(dòng)態(tài)位移計(jì)、信號(hào)分析儀、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀配以分析軟件等主要測(cè)試儀器，測(cè)試試驗(yàn)車(chē)分別以20、30、40、50km/h的速度勻速通過(guò)主橋產(chǎn)生的振動(dòng)以及試驗(yàn)車(chē)分別以20、30、40、50km/h的速度行駛至主橋測(cè)試位置進(jìn)行制動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，從而分別測(cè)取其動(dòng)力性能。通過(guò)測(cè)取加速度和動(dòng)應(yīng)變，分析其頻率、阻尼比及最大動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變，求出橋梁的沖擊系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

首先實(shí)施測(cè)點(diǎn)打底找平，粘貼應(yīng)變計(jì)，安裝機(jī)電位移計(jì)，連接導(dǎo)線及聯(lián)機(jī)調(diào)試等項(xiàng)準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行預(yù)加載以檢驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)，位移計(jì)及采集記錄儀器工作的可靠性，經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)誤后，再進(jìn)行正式加載試驗(yàn)。

試驗(yàn)中為了盡可能地減少混凝土變形滯后的影響，采取了如下措施：荷載到位后關(guān)閉汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，持續(xù)5分鐘以上，待數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后記錄；每種工況均加載測(cè)試兩次；每次卸載后至下一次加載的間隔時(shí)間均不少于5分鐘。

靜載試驗(yàn)完成后進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，每種跑車(chē)試驗(yàn)做兩次，各次試驗(yàn)間隔時(shí)間不少于5分鐘，以便結(jié)構(gòu)恢復(fù)彈性變形，保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

靜載試驗(yàn)的結(jié)果包括撓度及應(yīng)變，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的各加載工況下各測(cè)點(diǎn)的撓度計(jì)算值、實(shí)測(cè)值及其對(duì)比值，以及各工況下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)算值、實(shí)測(cè)值及其對(duì)比值，從而得到各工況下控制截面校驗(yàn)系數(shù)最大值、最小值和平均值，如表5所示。

表5 各加載工況校驗(yàn)系數(shù)

結(jié)構(gòu)自振特性包括自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的頻率及振型等，它反應(yīng)了結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性，是進(jìn)行動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。自振特性的基本分析手段是分離變量法，即把時(shí)間變量與結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變量分離后，利用特征方程具有非零解的條件，即系數(shù)行列式為零：Det(K－λM)=0。解此關(guān)于λ的n次實(shí)系數(shù)特征方程，即可得到結(jié)構(gòu)自振頻率及相應(yīng)振型。建立橋梁整體計(jì)算模型，采用子空間迭代法進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得到橋跨結(jié)構(gòu)各階自振頻率和振型圖。本橋一階陣型見(jiàn)圖12。

通過(guò)實(shí)施20、30、40、50km/h的速度下跑車(chē)激振試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)可得到橋跨結(jié)構(gòu)的加速度時(shí)程曲線、不同跑車(chē)速度下制動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線以及不同跑車(chē)速度下的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，以40km/h時(shí)速的曲線為例，如圖13-15所示。

對(duì)結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析得到幅頻特性曲線，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)一階頻率f1=2.93Hz，如圖16所示。由次邊跨跨中截面行車(chē)速度與沖擊系數(shù)關(guān)系曲線，得到橋跨結(jié)構(gòu)的最大沖擊系數(shù)為0.042，如圖17所示。

5 承載力評(píng)定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中關(guān)于荷載試驗(yàn)成果分析與評(píng)定的要求，評(píng)定結(jié)果分析如下：(1)靜載試驗(yàn)效率評(píng)定結(jié)果如表6所示。（2）靜載試驗(yàn)撓度、應(yīng)變結(jié)果評(píng)定如表7、表8所示。（3）動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定如表9所示。

表6 靜載試驗(yàn)效率(ηq)評(píng)定結(jié)果

表7 橋跨結(jié)構(gòu)撓度評(píng)定結(jié)果

表8 橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)u(píng)定結(jié)果

表9 自振頻率與沖擊系數(shù)評(píng)定結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 通過(guò)靜載試驗(yàn)效率、撓度、應(yīng)變的分析與評(píng)定，可以判定該橋具有足夠的剛度與強(qiáng)度，承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載的要求。根據(jù)自振頻率、沖擊系數(shù)的評(píng)定結(jié)果，可以判定該橋具有足夠的橋動(dòng)剛度和抗沖擊能力，滿足設(shè)計(jì)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋在設(shè)計(jì)活載作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

（2）由于施工、試驗(yàn)的實(shí)際情況與理論之間存在著差異，即實(shí)際施工結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的差異、試驗(yàn)荷載與標(biāo)準(zhǔn)荷載之間的差異、試驗(yàn)加載與理論加載過(guò)程的不完全相同等，都會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果之間存在著一定的差異。該新建橋梁的施工和試驗(yàn)結(jié)果可以表明，施工人員對(duì)施工質(zhì)量的重視程度，會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)承載力的評(píng)定結(jié)果。因此，工程施工一定要把好質(zhì)量關(guān)。

（3）該橋采用了分離式兩箱四室的橫斷面結(jié)構(gòu)形式，每幅的翼板連接屬于弱連接,由于扭轉(zhuǎn)作用對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋影響較大，為了更好的了解扭轉(zhuǎn)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋承載力的影響，還可以對(duì)該橋的扭轉(zhuǎn)做進(jìn)一步的分析研究[6]。

[1]GJJ77-98,城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:人民交通出版社,1998﹒

[2]戴公連.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]葉見(jiàn)署.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社,2010.

[4]交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[5]交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[M].北京:人民交通出版社,1988.

[6]陳從春,丁文勝.弱連接的雙箱四室連續(xù)箱梁橋的力學(xué)特性與試驗(yàn)研究[J].公路,2011,(12):51-53.