帶掛梁的V型墩剛構(gòu)橋原位荷載試驗(yàn)

楊勇，趙新生，蔡卡宏

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

V型墩（又稱作Y型墩）剛構(gòu)橋是將橋墩的上部墩柱做成V形狀的剛構(gòu)橋，具有普通剛構(gòu)橋及斜腿剛構(gòu)橋的受力特性，這種橋型與相同跨徑的梁式橋相比，縮短了計(jì)算跨徑，降低了梁高，且結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀。近年來在我國(guó)橋梁工程建設(shè)中，該類橋型被廣泛采用[1-2]。

本文以某一座V型墩剛構(gòu)橋的現(xiàn)場(chǎng)原位荷載試驗(yàn)為例，論述了該類橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、加載測(cè)試內(nèi)容及試驗(yàn)情況等方面內(nèi)容，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)橋梁的承載能力及使用性能進(jìn)行綜合評(píng)估，為橋梁管理部門進(jìn)行科學(xué)管養(yǎng)提供依據(jù)，也為同類型橋梁的荷載試驗(yàn)分析提供參考和借鑒。

1 工程概況

某城市橋梁結(jié)構(gòu)型式采用帶懸臂及掛梁的V型墩剛構(gòu)橋。橋梁總長(zhǎng)66 m，主跨為2個(gè)帶懸臂的V型墩剛構(gòu)，剛構(gòu)長(zhǎng)18 m，中間設(shè)10 m的掛梁，邊跨為2孔10 m簡(jiǎn)支T梁，V型墩剛構(gòu)及掛梁（T梁）上部結(jié)構(gòu)均由6片主梁組成。橋面總寬10.5 m，其中車行道寬7.5 m（雙向兩車道），兩側(cè)人行道各寬1.5 m。下部設(shè)6片V型排架墩，墩底為承臺(tái)及樁基，主梁及排架墩均由橫系梁加強(qiáng)整體性。該橋于1989年建成通車，迄今已運(yùn)營(yíng)了20多年。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為“汽車-20級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2”，驗(yàn)算荷載為“掛車-100”。該橋立面見圖1。

2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

根據(jù)該橋的橋型特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果選取了該橋的0#～1#跨V型墩剛構(gòu)及中孔掛梁作為原位荷載試驗(yàn)對(duì)象[3-6]，并采用Sap2000程序?qū)冶奂皰炝旱腣型墩剛構(gòu)橋跨建立空間梁?jiǎn)卧邢拊?jì)算模型（見圖2），模型共劃分為1326個(gè)空間梁?jiǎn)卧? 172個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用該有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)活載內(nèi)力、試驗(yàn)荷載反應(yīng)及結(jié)構(gòu)的自振特性分析計(jì)算。

2.1 靜力活載效應(yīng)計(jì)算

利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃加載法計(jì)算出該橋在設(shè)計(jì)活載作用下的彎矩控制值。計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)活載作用下，由驗(yàn)算活載“掛車-100”控制各跨關(guān)鍵截面最大內(nèi)力，而3#主梁的內(nèi)力最大，因此該梁的內(nèi)力作為所有單片主梁的控制內(nèi)力；其中，V構(gòu)懸臂跨2L/5截面主梁最大正彎矩為3.06 E+05 N·m，V構(gòu)中支點(diǎn)截面主梁最大負(fù)彎矩為-2.20 E+05 N·m，V構(gòu)跨L/2截面主梁最大正彎矩為2.46 E+05 N·m，10 m掛梁跨單片主梁L/2截面最大正彎矩為3.68E+05 N·m。其中，帶懸臂的V型墩剛構(gòu)橋跨單片主梁設(shè)計(jì)活載彎矩包絡(luò)圖如圖3所示。

2.2 自振特性計(jì)算

根據(jù)該橋的橋型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于剛度和質(zhì)量等效原則建立的空間有限元分析模型進(jìn)行橋梁自振特性的分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，該橋V型墩剛構(gòu)橋跨的一階自振基頻為15.17 Hz，對(duì)應(yīng)的振型為反對(duì)稱豎彎（見圖4）；掛梁的一階自振基頻為11.51 Hz，對(duì)應(yīng)的振型為正對(duì)稱豎彎。

3 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)主要根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（試行）、《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及有關(guān)的設(shè)計(jì)竣工資料，根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)活載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件實(shí)施[5-7]。

3.1 加載效率及加載程序

（1）加載效率

橋梁靜載試驗(yàn)是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的內(nèi)力和變形，其加載位置和加載工況主要根據(jù)靜載試驗(yàn)效率η來確定，根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，η取值應(yīng)在0.80～1.05之間，試驗(yàn)沖擊系數(shù)取值1.0。經(jīng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算[3-4]，采用3臺(tái)重車（每臺(tái)車總重300 kN），按3個(gè)工況分6級(jí)加載，以使3個(gè)控制截面的加載效率達(dá)到規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)荷載等級(jí)汽車-20級(jí)、掛車-100及3臺(tái)重車試驗(yàn)荷載作用下，控制截面試驗(yàn)荷載內(nèi)力（彎矩）及加載效率見表1。

表1 各控制截面試驗(yàn)彎矩及加載效率

（2）加載程序

為了獲得結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位及應(yīng)力關(guān)系的連續(xù)性，并防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)意外損傷，加載方式[6-7]為逐級(jí)遞加到最大荷載，然后逐次卸載到零級(jí)荷載。加載位置與加載工況確定的主要方式是：采用荷載等效的原則布置試驗(yàn)加載車輛，在滿足試驗(yàn)荷載效率達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求的前提下，對(duì)加載工況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，每一加載工況以某一檢驗(yàn)項(xiàng)目為主，部分加載工況可同時(shí)兼顧其它檢驗(yàn)項(xiàng)目，并應(yīng)校驗(yàn)其它非檢驗(yàn)項(xiàng)目（或截面）內(nèi)力不超過設(shè)計(jì)內(nèi)力。

3.2 測(cè)試內(nèi)容及量測(cè)方案

試驗(yàn)內(nèi)容包括梁體撓度測(cè)試和應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試兩個(gè)方面，撓度測(cè)試截面選取試驗(yàn)橋跨的L/2、L/4及支點(diǎn)等關(guān)鍵截面；應(yīng)力測(cè)試截面選取V構(gòu)懸臂跨2L/5截面、V構(gòu)跨L/2及掛梁L/2截面等3個(gè)截面（圖1中A、B、C截面），應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)于各測(cè)試截面的1#～6#梁底。試驗(yàn)測(cè)試每級(jí)加載的撓度、應(yīng)變及卸載后的殘余撓度及殘余應(yīng)變。

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

（1）撓度測(cè)試結(jié)果

各加載工況最大的彈性撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比見表2[5-6]。在工況1試驗(yàn)荷載下，懸臂跨2L/5截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性撓度實(shí)測(cè)值為-1.8 mm，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為-1.9 mm，其校驗(yàn)系數(shù)為0.95；在工況2試驗(yàn)荷載下，V構(gòu)跨L/2截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性撓度實(shí)測(cè)值為-1.3 mm，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為-1.3 mm，其校驗(yàn)系數(shù)為1.0；在工況3試驗(yàn)荷載下，掛梁L/2截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性撓度實(shí)測(cè)值為-2.4 mm，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為-2.3 mm，其校驗(yàn)系數(shù)為1.04；均能滿足文獻(xiàn)[5]中關(guān)于混凝土橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù) Se/Sstat的要求 （0.6＜Se/Sstat≤1.1）。各工況實(shí)測(cè)跨中最大撓度值也均能滿足規(guī)范關(guān)于文獻(xiàn)[4]梁式橋豎向撓度允許限值L/600的要求。

表2 撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

（2）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

各加載工況最大的彈性應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比見表3[5-6]。在工況1試驗(yàn)荷載下，A截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性應(yīng)變實(shí)測(cè)值為112με，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為127με，其校驗(yàn)系數(shù)為0.88；在工況2試驗(yàn)荷載下，B截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性應(yīng)變實(shí)測(cè)值為98με，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為97με，其校驗(yàn)系數(shù)為1.01；在工況3試驗(yàn)荷載下，C截面測(cè)點(diǎn)的最大彈性應(yīng)變實(shí)測(cè)值為164με，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為159με，其校驗(yàn)系數(shù)為1.03；均能滿足文獻(xiàn)[5]中關(guān)于混凝土橋梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)Se/Sstat的要求（0.6＜Se/Sstat≤1.1）。

表3 應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

（3）殘余撓度和應(yīng)變

試驗(yàn)結(jié)束前對(duì)檢測(cè)橋跨進(jìn)行了殘余撓度和殘余應(yīng)變觀測(cè)，按文獻(xiàn)[5]的要求，最大殘余值（SP）與實(shí)測(cè)值（Stot）的比值應(yīng)滿足：Sp/Stot≤0.25的要求。從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，懸臂跨2L/5截面的最大殘余撓度-0.2 mm、最大殘余應(yīng)變3με，相應(yīng)的最大撓度-2.0 mm、最大應(yīng)變115με，殘余值與相應(yīng)的最大值的比值分別為0.1和0.03；V構(gòu)跨L/2截面的最大殘余撓度-0.3 mm、最大殘余應(yīng)變1με，相應(yīng)的最大撓度-1.6 mm、最大應(yīng)變99με，殘余值與相應(yīng)的最大值的比值分別為0.19和0.01；掛梁L/2截面的最大殘余撓度-0.3 mm、最大殘余應(yīng)變7με，相應(yīng)的最大撓度-2.7 mm、最大應(yīng)變171με，殘余值與相應(yīng)的最大值的比值分別為0.11和0.04；均能滿足文獻(xiàn)[5]的要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載測(cè)試內(nèi)容

動(dòng)載試驗(yàn)主要內(nèi)容是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性、受迫振動(dòng)特性[6-7]。自振特性測(cè)試是在橋梁無荷載作用下所處的自然環(huán)境中進(jìn)行，結(jié)構(gòu)在環(huán)境擾動(dòng)作用下，如自然風(fēng)、地脈動(dòng)、機(jī)器或車輛引起的擾動(dòng)等，雖然引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振幅極為微小，但脈動(dòng)響應(yīng)所包含的頻率成分相當(dāng)豐富，它不需任何激振設(shè)備，又不受結(jié)構(gòu)形式和大小的限制，特別適用于測(cè)量結(jié)構(gòu)整體的自振特性，因此自振特性測(cè)試采用地脈動(dòng)為激振源；

受迫振動(dòng)測(cè)試采用跳車或跑車方式為激振源，前者是利用1輛加載重車（約300 kN），在橋面上分別以不同的行駛速度進(jìn)行跑車；而后者是在跨中位置用加載車的重輪越過高 15cm的楔型體墊木突然下落沖擊橋面的方式進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)。動(dòng)載試驗(yàn)選取試驗(yàn)橋跨的L/4及L/2等截面設(shè)置動(dòng)測(cè)傳感器測(cè)點(diǎn)。

4.2 動(dòng)載測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明：該橋V型墩剛構(gòu)橋跨實(shí)測(cè)一階振動(dòng)頻率為15.22 Hz，而對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算一階自振基頻為15.17 Hz；掛梁孔實(shí)測(cè)一階振動(dòng)頻率為11.97 Hz，而對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算一階自振基頻為11.51 Hz；各試驗(yàn)橋跨實(shí)測(cè)一階振動(dòng)頻率均與對(duì)應(yīng)的理論值基本吻合，表明該橋的實(shí)際整體剛度與設(shè)計(jì)值（理論值）接近。V型墩剛構(gòu)橋跨實(shí)測(cè)阻尼比ξ為0.37%～1.70%，掛梁孔實(shí)測(cè)阻尼比ξ為0.46%～1.92%，均處于正常范圍，表明該橋具有一定的耗散外部能量的能力，從測(cè)試過程及行車響應(yīng)分析，該橋的振動(dòng)響應(yīng)及行車性能均較為正常[2,6,7]。V型墩剛構(gòu)橋跨跨中跳車工況加速度時(shí)程曲線及頻譜圖如圖5所示。

圖5 加速度時(shí)程曲線及頻譜圖

5 結(jié)論

（1）本次靜載試驗(yàn)的荷載效率在0.86～0.93之間，符合相應(yīng)試驗(yàn)檢測(cè)規(guī)范[5]的要求，表明試驗(yàn)荷載能有效的體現(xiàn)設(shè)計(jì)活載效應(yīng)；在各工況試驗(yàn)荷載下，各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.95～1.04之間，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.88～1.03之間，滿足文獻(xiàn)[3]的要求，實(shí)測(cè)最大撓度值也能滿足文獻(xiàn)[4]關(guān)于橋梁豎向撓度允許限值的要求，表明該橋的實(shí)際剛度及強(qiáng)度與設(shè)計(jì)值（理論值）相符；各試驗(yàn)工況實(shí)測(cè)相對(duì)殘余撓度和相對(duì)殘余應(yīng)變均小于0.25，滿足文獻(xiàn)[5]的要求，表明該橋具有良好的彈性恢復(fù)能力。

（2）該橋?qū)崪y(cè)頻率與理論分析結(jié)果相近，表明該橋的實(shí)際整體剛度與設(shè)計(jì)值（理論值）基本吻合；各試驗(yàn)橋跨實(shí)測(cè)阻尼比均處于正常范圍，表明該橋具有一定的耗散外部能量的能力，從測(cè)試過程及行車響應(yīng)分析，該橋的振動(dòng)響應(yīng)及行車性能均較為正常。

（3）通過對(duì)該帶懸臂及掛梁的V型墩剛構(gòu)橋進(jìn)行的上述靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)分析評(píng)估，表明該橋的承載能力和使用性能滿足“汽車—20級(jí)、掛車—100及人群3.5 kN/m2”設(shè)計(jì)活載的要求。

[1]項(xiàng)貽強(qiáng),胡峰強(qiáng),朱衛(wèi)國(guó).V型墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和試驗(yàn)研究[J].中國(guó)市政工程,2003(1):19-22.

[2]王巍，楊宜謙,姚京川,等.V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2010(8):14-17.

[3]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]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.

[6]湛潤(rùn)水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7]張俊平,周建賓.橋梁檢測(cè)與維修加固（第2版）[M].北京:人民交通出版社,2011.