T型連續(xù)剛構(gòu)橋梁荷載試驗(yàn)評(píng)定與探討

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁檢測(cè)技術(shù)得到了日益廣泛的重視。荷載試驗(yàn)是一種橋梁檢測(cè)技術(shù)的重要手段，在評(píng)定現(xiàn)有橋梁的實(shí)際承載能力、建立和積累橋梁技術(shù)資料、推動(dòng)和發(fā)展舊橋評(píng)定理論及新橋設(shè)計(jì)理論等方面有著重要的意義。文章以新甸公路橋?yàn)槔撌隽祟A(yù)應(yīng)力混凝土T型連續(xù)剛構(gòu)橋梁的荷載試驗(yàn)，應(yīng)用MIDAS CIVIL 2015建立橋梁三維有限元模型，結(jié)合靜載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)橋梁的實(shí)際承載能力作出評(píng)定；通過跑車試驗(yàn)及脈動(dòng)試驗(yàn)，并建立實(shí)橋模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)橋梁的動(dòng)力性能作出了判斷。

關(guān)鍵詞：T型連續(xù)剛構(gòu)；荷載試驗(yàn)；有限元模型；承載能力；動(dòng)力特性

1 工程概況

新甸公路橋全長為344.0m，全寬為8.0m，跨徑組合為5×20m+40m+60m+40m+5×20m，橋面由0.5m護(hù)欄+7.0m機(jī)動(dòng)車道+0.5m護(hù)欄組成，為雙向單車道，橋面材料為混凝土，伸縮縫型式為簡易型鋼；護(hù)欄結(jié)構(gòu)為鋼管與鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)：主橋?yàn)門型掛梁的預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋，T型懸臂梁為單箱雙室的箱形截面，掛梁為橫向分成四片的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，梁內(nèi)設(shè)有曲線的預(yù)應(yīng)力鋼絞線；引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土空心板。T構(gòu)懸臂梁、全掛梁、半掛梁及預(yù)應(yīng)力砼空心板均采用C50混凝土。下部結(jié)構(gòu)：主橋橋墩身為箱形斷面的鋼筋混凝土空心墩；引橋橋墩、橋臺(tái)采用雙樁雙柱式、雙樁單柱或加蓋梁結(jié)構(gòu)；墩承臺(tái)均采用灌注樁基礎(chǔ)。主橋墩墩身及引橋蓋梁采用C30混凝土，主橋承臺(tái)、引橋灌注樁采用C25混凝土。

主要技術(shù)指標(biāo)：

設(shè)計(jì)荷載：汽-20級(jí)，掛-100，人群荷載3.5kN/m2。（三級(jí)公路橋）

通航凈空：Bm≥55.0m，b=37.0m，h=4.0m，Hm=7.0m。

橋面縱坡：主跨跨中設(shè)R-1400m，T=51.8m，E=0.9583m的凸形豎曲線，引橋設(shè)3.7%的縱坡。

橋面橫坡：以橋中心線為起點(diǎn)向兩側(cè)設(shè)1.5%的橫坡。

2 有限元模型建立及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil 2015進(jìn)行有限元建模，有限元模型見圖1。

3 靜載荷試驗(yàn)

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及移動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力和撓度包絡(luò)圖，確定本次試驗(yàn)的控制截面：T構(gòu)懸臂梁支點(diǎn)截面及全掛梁跨中截面作為測(cè)試截面。位置描述及試驗(yàn)內(nèi)容見表1。

3.1 加載工況

根據(jù)橋梁主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀況，本次加載工況選取如下：工況一：縱橋向按T構(gòu)懸臂梁支點(diǎn)截面I-I最不利負(fù)彎矩布載，橫橋向偏載；工況二：縱橋向按全掛梁跨中截面II-II截面最不利正彎矩布載，橫橋向偏載。

3.2 控制內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)Midas Civil 2015程序計(jì)算，控制內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

3.3 試驗(yàn)荷載的確定

靜載試驗(yàn)荷載是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算的結(jié)果上，來確定加載位置以及在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小，是一個(gè)反復(fù)驗(yàn)算的過程。為確保試驗(yàn)效率，試驗(yàn)荷載的確定一般采用靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)η進(jìn)行控制。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）等規(guī)范相關(guān)的規(guī)定，靜力試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)η取值范圍為0.95≤η≤1.05。

3.4 加載車輛及試驗(yàn)效率

靜載試驗(yàn)擬采用等效車輛進(jìn)行加載，車隊(duì)位置按有限元計(jì)算的影響線進(jìn)行布設(shè)，就某一檢驗(yàn)項(xiàng)目而言，其相應(yīng)的加載車輛數(shù)量及位置使該檢驗(yàn)項(xiàng)目的荷載效率系數(shù)η滿足：0.95≤η≤1.05。

試驗(yàn)配重車輛擬選用總重為300kN的試驗(yàn)車輛4輛，雙后軸配重車前后軸距3.5m，兩后軸距1.4m，輪距1.8m，單車總重300kN，軸重分配為60kN、120kN、120kN。

3.5 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

（1）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。表3、4中給出了應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值和應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)，同時(shí)計(jì)算出了各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變。

（2）撓度測(cè)試結(jié)果。在各試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)車輛加載前、加載中和卸載后，采用多點(diǎn)撓度儀對(duì)橋梁撓度進(jìn)行測(cè)量。多點(diǎn)撓度儀設(shè)在穩(wěn)定地點(diǎn)，保證測(cè)量結(jié)果的一致性。

表5中給出了撓度的理論計(jì)算值、實(shí)測(cè)值（單位均為mm）和殘余變形，同時(shí)還計(jì)算了撓度校驗(yàn)系數(shù)。為了形象地反映撓度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的關(guān)系，將繪制出各工況的撓度對(duì)比曲線。表中撓度符號(hào)規(guī)定向下為負(fù)、向上為正。

（3）靜載荷成果分析。從測(cè)試結(jié)果可以看出：該橋控制截面在加載時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)在滿載作用下測(cè)試截面的撓度（或應(yīng)變）實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，即其校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，說明該橋主橋結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)的要求；在偏載作用下各測(cè)點(diǎn)的撓度（或應(yīng)變）橫向分布均勻，說明該橋橋梁結(jié)構(gòu)荷載橫向聯(lián)結(jié)構(gòu)造較可靠；T板各控制測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余撓度（或應(yīng)變）均小于規(guī)范規(guī)定值20%，說明該橋主橋結(jié)構(gòu)處于良好彈性工作狀態(tài)。

（4）裂縫觀測(cè)。裂縫觀測(cè)不是靜載荷試驗(yàn)中判斷橋梁結(jié)構(gòu)受力情況的主要參數(shù)。本次裂縫檢查方法以人工目測(cè)為主，輔以鋼尺測(cè)量確定裂縫位置坐標(biāo)（相對(duì)參考坐標(biāo)）和長度，裂縫測(cè)寬儀測(cè)量裂縫寬度。在靜載荷試驗(yàn)過程中，對(duì)橋梁的主要部位（指它對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、變形、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的牢固程度等有直接影響或嚴(yán)重影響的部位）的裂縫情況進(jìn)行全程追蹤觀測(cè)，其內(nèi)容包括開裂荷載的確定（即當(dāng)構(gòu)件最大拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)第一條裂縫，或應(yīng)變測(cè)量儀表的讀數(shù)發(fā)生跳躍時(shí)的荷載值）和裂縫寬度測(cè)定，并繪制裂縫開展圖。

該橋主橋結(jié)構(gòu)主要部位在各試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)過程中和在短期荷載試驗(yàn)荷載后未發(fā)現(xiàn)裂縫擴(kuò)展和新的裂縫產(chǎn)生。

4 動(dòng)載荷試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載荷理論

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力載荷試驗(yàn)是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)（加速度、動(dòng)撓度）等參數(shù)的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而宏觀判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、運(yùn)營性能。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)雖然試驗(yàn)?zāi)康摹y(cè)試內(nèi)容等方面有所不同，但對(duì)于全面分析掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能是等同重要的。動(dòng)載試驗(yàn)之所以對(duì)公路和橋梁設(shè)計(jì)非常重要，是因?yàn)樗怯绊懝泛蜆蛄菏褂脡勖闹饕蛩刂弧．?dāng)車輛通過公路橋時(shí)，車輛軸載對(duì)橋梁的作用隨時(shí)間變化，即為動(dòng)載荷。

4.2 試驗(yàn)方法

橋梁動(dòng)力載荷試驗(yàn)是在橋梁處于振動(dòng)狀態(tài)下，利用振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)各種振動(dòng)量進(jìn)行測(cè)定、記錄并加以分析的過程。本次試驗(yàn)采用脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析研究。

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)。脈動(dòng)法是利用被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動(dòng)來確定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的方法。橋梁結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)是由附近的地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處地震傳來的脈動(dòng)所產(chǎn)生的，或由附近的車輛、機(jī)器的振動(dòng)引起的，能明顯地反映出結(jié)構(gòu)的固有頻率，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的脈動(dòng)是因外界不規(guī)則的干擾所引起的，具有各種頻率成分，而結(jié)構(gòu)的固有頻率是脈動(dòng)的主要成分，在脈動(dòng)圖上可以較為明顯地反映出來。因此利用此特性，在控制測(cè)試截面的相關(guān)部位安裝高靈敏度拾振器，通過智能動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)觀測(cè)脈動(dòng)荷載作用下的關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，通過建立模型、模態(tài)分析可得出橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等動(dòng)力特性，同時(shí)計(jì)算其振型。

（2）跑車試驗(yàn)。當(dāng)車輛以一定速度在橋梁上通過時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)、橋面的不平順等原因會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，通過對(duì)其控制截面動(dòng)撓度（或動(dòng)應(yīng)變）的測(cè)試，記錄控制截面測(cè)點(diǎn)在跑車試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)撓度（動(dòng)應(yīng)變）時(shí)歷曲線，對(duì)其進(jìn)行分析處理得出活載沖擊系數(shù)，進(jìn)而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能和橋面的平整程度。

脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在主橋每5m處布設(shè)豎向加速度拾振器，以測(cè)量橋梁振動(dòng)基頻和振型；跑車試驗(yàn)是在全掛梁中心位置布設(shè)動(dòng)撓度觀測(cè)測(cè)點(diǎn)，采用一輛300kN的重車分別以車速10km/h 、20km/h和30km/h勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)。

4.3 理論計(jì)算

本次試驗(yàn)采用midas civil 2015建立動(dòng)力模型（見圖1），并對(duì)主橋進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，最終計(jì)算出主橋結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)理論振型及頻率，如圖5所示。

4.4 動(dòng)載荷試驗(yàn)結(jié)果

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

（3）動(dòng)載荷成果分析。由圖6～7及其對(duì)應(yīng)表可看出該橋主橋結(jié)構(gòu)的一階實(shí)測(cè)自振頻率為3.13Hz，較大于理論計(jì)算值2.96Hz，表明主橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度能滿足設(shè)計(jì)要求；主橋結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)一階振型與理論計(jì)算振型基本一致，說明該橋橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好；另外通過模態(tài)分析計(jì)算得出主橋的一階阻尼比為5.34%，在經(jīng)驗(yàn)值1.0%～8.0%之間，說明主橋結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力相對(duì)較強(qiáng)，振動(dòng)衰減較快。

由圖8計(jì)算可得：主跨結(jié)構(gòu)在重車以10km/h、20km/h、30km/h勻速行駛作用下，最大動(dòng)撓度為2.744mm，最大沖擊系數(shù)為0.055，均相對(duì)較小，說明該橋橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能均較好，橋面的平整程度良好。

5 結(jié)束語

橋梁載荷試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，文章利用橋梁有限元分析軟件Midas Civil 2015建立橋梁有限元模型，結(jié)合荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和判定橋梁的承載能力和動(dòng)力性能，為該橋今后運(yùn)營養(yǎng)護(hù)及長期健康狀況評(píng)價(jià)提供基本結(jié)構(gòu)原始參數(shù)。

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