談動(dòng)載試驗(yàn)在高速公路橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

■武秉亞，王曉早 ■安徽省高速公路試驗(yàn)檢測(cè)科研中心有限公司，安徽 合肥 230601

高速公路在我國現(xiàn)代化進(jìn)程中起到非常重要的作用，是國家飛速發(fā)展的橋梁，高速公路的飛速發(fā)展從另一方面反映了我國綜合國力的提升。近些年來，我國的高速公路事業(yè)取得了顯著的成就，橋梁作為高速公路的重要組成部分具有舉足輕重的作用。大量的高速公路的建成運(yùn)營，對(duì)于早期投入運(yùn)營的橋梁會(huì)或多或少的出現(xiàn)一些破損現(xiàn)象，這對(duì)于橋梁的整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生潛在的危害，因此，對(duì)于橋梁的檢測(cè)維修與養(yǎng)護(hù)顯得異常重要。本文主要根據(jù)某高速公路的具體試驗(yàn)，進(jìn)行橋梁動(dòng)載試驗(yàn)，并簡(jiǎn)述動(dòng)載試驗(yàn)在橋梁中的應(yīng)用的具體方法。

1 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)概述

在進(jìn)行高速公路橋梁的承載能力評(píng)定過程中，荷載試驗(yàn)是最為普遍的檢測(cè)評(píng)定方法，他對(duì)于橋梁的整體受力性能和公路橋梁的運(yùn)營承載力能準(zhǔn)確客觀的反映。如果對(duì)于橋梁的承載能力運(yùn)營情況不明確，一般都對(duì)于高速公路橋梁的的安全性的檢測(cè)研究一般需進(jìn)行荷載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)是荷載試驗(yàn)的一種形式。在公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)中，包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。其中，靜載試驗(yàn)是對(duì)高速公路橋梁進(jìn)行靜力荷載，然后對(duì)高速公路橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，得以掌握高速公路橋梁應(yīng)變和撓度在進(jìn)行荷載試驗(yàn)下產(chǎn)生的變化，得出結(jié)論。在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)與高速公路橋梁的理論的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，校驗(yàn)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和撓度校驗(yàn)系數(shù)作為可參考與衡量的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)高速公路橋梁的實(shí)際運(yùn)行能力和承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。在進(jìn)行高速公里橋梁承載力進(jìn)行評(píng)定過程中，必須要選取科學(xué)的理論與準(zhǔn)確的方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于公路橋梁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的現(xiàn)象，進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)人員就有必要建立有限元模型。有限元模型主要是依據(jù)公路橋梁施工設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的修改，使復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得以準(zhǔn)確清晰的體現(xiàn)。在進(jìn)行修改過程中，可以運(yùn)用動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，其中修改的內(nèi)容主要是有限元模型的幾何參數(shù)以及物理學(xué)參數(shù)，以保證荷載試驗(yàn)結(jié)果與有限元模型在數(shù)據(jù)及結(jié)果上保持動(dòng)力特性相一致。

2 工程概況

本文選取的試驗(yàn)橋梁為某高速公路主線上跨橋，試驗(yàn)段為該橋第二聯(lián)，其上部結(jié)構(gòu)為52.995m+52.995m，采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，下部采用柱式橋墩接承臺(tái)樁基礎(chǔ)。橋面布置為:0.5m(護(hù)欄)+9.5m(行車道)+0.5m(護(hù)欄)，全寬10.5m。該橋鋼箱梁于2012 年5 月份檢測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部出現(xiàn)大量焊縫開裂，并于2012 年6 月進(jìn)行了焊縫補(bǔ)焊修復(fù)，本次動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)修復(fù)后的鋼箱梁進(jìn)行檢測(cè)。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

(1)行車動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)。a.跑車試驗(yàn):選取一輛360KN 重車分別采用不同的時(shí)速(10km/h，20km/h，30km/h，40km/h，50km/h)，在橋面中心處進(jìn)行勻速行駛，當(dāng)車在橋上時(shí)為車橋聯(lián)合震動(dòng)，當(dāng)車跨出橋后為自由衰減震動(dòng)，在此期間，進(jìn)行橋梁跨體的豎向動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試及其動(dòng)態(tài)增大效應(yīng)。b.跳車試驗(yàn):本實(shí)例采用360KN 的重車進(jìn)行跳車試驗(yàn)，在跨中截面車輛后軸位置設(shè)置一塊長為50 厘米，高為10 厘米的三角墊塊，斜邊朝向汽車。汽車勻速通過三角墊塊后，立即停止。模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。c.剎車試驗(yàn):選取一輛360KN 的重車以每小時(shí)20 千米的時(shí)速在橋面中心進(jìn)行勻速行駛，在試驗(yàn)截面的位置進(jìn)行緊急剎車，使橋梁產(chǎn)生水平振動(dòng)，并以此為數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁的震動(dòng)相應(yīng)測(cè)試。

(2)脈動(dòng)試驗(yàn)。公路橋梁橋面上，在沒有汽車或者其他環(huán)境因素對(duì)橋梁產(chǎn)生干擾的情況下，通過高靈敏度動(dòng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)橋梁進(jìn)行由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載機(jī)振引起小微振動(dòng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等橋梁動(dòng)力特性參數(shù)。

3.2 測(cè)試截面和測(cè)點(diǎn)布置

本測(cè)試運(yùn)用的是有限元模型程序，運(yùn)用有限元程序可以對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)力分析，從而在理論上得出振型和自振頻率。行車動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)斷面選擇在橋梁第二聯(lián)第一跨跨中，觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在地板中心位置，如圖1 所示。脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試斷面選擇在橋跨的八等分點(diǎn)以及橋墩上，傳感器布設(shè)在距護(hù)欄100mm 的位置上。測(cè)試斷面上測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖1 行車動(dòng)力響應(yīng)觀點(diǎn)布置圖(單位:cm)

圖2 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:cm)

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 行車動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)跨在40km/h 勻速行駛的車輛作用下，觀測(cè)點(diǎn)的豎向動(dòng)態(tài)位移值最大，其豎向動(dòng)撓度曲線圖如圖3 所示。

圖3 動(dòng)撓度曲線

沖擊系數(shù)是對(duì)橋梁的運(yùn)行階段的反映，是其工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，沖擊系數(shù)和橋梁的線型、橋面的平整度、行駛車輛的動(dòng)力性能都存在直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此次檢測(cè)實(shí)測(cè)豎向動(dòng)態(tài)位移值最大為28.45mm，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為1.0321;橋梁在車輛動(dòng)態(tài)荷載作用下引起的豎向動(dòng)態(tài)位移值及沖擊系數(shù)相對(duì)較小，說明橋梁自身的動(dòng)力特性較好，車輛動(dòng)荷載對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)影響小。

4.2 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)脈動(dòng)測(cè)試信號(hào)的測(cè)試進(jìn)行分析后，得出橋梁在前兩個(gè)階段頻率及阻尼比。動(dòng)力特性分析所采用的軟件為MIDAS/CIVIL，橋面的鋪裝在不考慮對(duì)結(jié)構(gòu)鋼度的影響下分配到各節(jié)點(diǎn)上。

表1 實(shí)測(cè)頻率及阻尼比表

模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁各階豎彎模態(tài)實(shí)測(cè)振型與理論振型非常吻合，說明測(cè)試結(jié)果良好、可信。自振頻率實(shí)測(cè)值均大于理論值，這說明該橋整體剛度較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，即結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)橋梁的動(dòng)荷載試驗(yàn)的實(shí)際測(cè)量頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)的研究，并結(jié)合動(dòng)力響應(yīng)的分析，現(xiàn)得出以下結(jié)論。

(1)本次進(jìn)行試驗(yàn)的橋梁架構(gòu)的豎向頻率的實(shí)際測(cè)量值和理論計(jì)算值兩者具有較好的吻合性，一階、二階的頻率的實(shí)際測(cè)量結(jié)果大于理論計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的剛度滿足設(shè)計(jì)要求，符合規(guī)定。脈動(dòng)試驗(yàn)得出試驗(yàn)跨橋梁結(jié)構(gòu)的一、二階振型與理論分析振型吻合。

(2)在進(jìn)行跑、跳車的及剎車的載荷試驗(yàn)中，其結(jié)構(gòu)的各部位均運(yùn)行正常，沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值較小，表明橋梁的動(dòng)力性能處于優(yōu)良狀態(tài)。

5 結(jié)束語

隨著我國的不斷發(fā)展，我國公路橋梁事業(yè)取得了長足的發(fā)展，該事業(yè)的不斷發(fā)展為我國的經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展提供了比較便利的條件，對(duì)我國建筑方面的成功發(fā)展提供方向。為橋梁的驗(yàn)收工作提供了極大的便利。公路橋梁工程中的荷載實(shí)驗(yàn)為一項(xiàng)比較復(fù)雜、細(xì)致的工作，并且該種試驗(yàn)具有較高的技術(shù)含量，其涉及面也較為廣泛。橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)中，其操作的時(shí)間較短，陳本較低，方法邊界等諸多優(yōu)點(diǎn)，在近些年的橋梁檢測(cè)評(píng)估等試驗(yàn)中進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。雖然我國目前的動(dòng)載試驗(yàn)在進(jìn)行實(shí)際操作中存在一定的局限性，但是我國公路各方面的制度的不斷發(fā)展，其發(fā)展前景比較受到廣泛的關(guān)注。

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