某跨線橋荷載試驗(yàn)研究

張 蕾，紀(jì)云濤，成正清，賈銀鈞

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系，四川成都 610031；2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南昆明 650000)

近年來城市交通快速發(fā)展，公路與鐵路線路立體交叉的情況越來越多，跨線橋的應(yīng)用逐漸增多，跨線橋質(zhì)量優(yōu)劣直接影響路網(wǎng)的通暢性[1]。橋梁承載能力滿足要求是橋梁安全的重要保障，盡管目前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析理論已日趨成熟，但現(xiàn)場荷載試驗(yàn)仍可能是幫助確保橋梁未來安全性能的最佳方法[2]，也是檢驗(yàn)橋梁承載能力最有效最直接的方法。

橋梁荷載試驗(yàn)利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動(dòng)從而測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及加速度等各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，是一種無損橋梁檢測(cè)方法[3]。通過橋梁荷載試驗(yàn)，可以了解橋跨主體結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)橋梁在設(shè)計(jì)使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能[4]，判斷成橋是否能投入正常運(yùn)營[5]，橋梁荷載試驗(yàn)還可以為日后的安全運(yùn)營和維修加固提供科學(xué)依據(jù)，為同類型橋的設(shè)計(jì)、施工積累可靠技術(shù)資料[6]。

本文以改建鐵路貴昆線上某跨線橋?yàn)槔?，分別進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，確定該橋?qū)嶋H工作狀況和承載能力，對(duì)其安全性能進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 工程概況

該跨線橋?yàn)?跨空心板簡支梁橋，跨徑布置為(20 m+30 m+20 m)，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。橋梁按分幅設(shè)計(jì)，單幅橋面寬11.75 m，全橋總寬24 m。單幅每跨有7片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，其中30 m跨徑的梁高1.3 m，20 m跨徑的梁高為0.9 m。橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋跨結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

2 荷載試驗(yàn)方案及理論模型

2.1 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是通過施加試驗(yàn)荷載，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件在最大內(nèi)力狀態(tài)下的應(yīng)變和變形，以判斷該橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求[7]。加載位置一般選取結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面(內(nèi)力極值截面)，并且需要按照內(nèi)力等效的原則確定試驗(yàn)荷載的大小和加載位置，使試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計(jì)荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力相等或接近，同時(shí)確保各個(gè)試驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.1.1 試驗(yàn)荷載

目前常用的加載的方式有車輛荷載加載、重物加載、專用加力架加載三種。本次靜力試驗(yàn)采用車輛荷載加載的方式，車輛荷載加載具有便于運(yùn)輸、加載卸載方便迅速等優(yōu)點(diǎn)，但需注意加載車輛嚴(yán)格稱重，保證誤差不超過5 %[8]。

本次靜力試驗(yàn)荷載采用320 kN級(jí)三軸載重汽車，按分級(jí)加載工況，共需4輛載重汽車。

2.1.2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及方法

該跨線橋?qū)儆陟o定結(jié)構(gòu)，受力明確，故選擇左右兩幅每跨跨中截面作為最不利狀態(tài)下的控制截面，控制截面共6個(gè)，位置見圖1。取控制截面最大彎矩作為試驗(yàn)加載截面的控制值，該控制截面同為應(yīng)變測(cè)試截面及變形測(cè)試截面。

該跨線橋共設(shè)30個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和18個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試截面布置5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和3個(gè)變形測(cè)點(diǎn)。采用靜態(tài)應(yīng)變片及靜態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)DH3821測(cè)試應(yīng)變，用百分表測(cè)試變形。以第一跨左幅A-A控制截面為例，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(A-11～A-15)及變形測(cè)點(diǎn)(A-21～A-23)布置如圖2所示，其余5個(gè)控制截面測(cè)點(diǎn)布置位置與此截面相同。

圖2 第一跨左幅A-A控制截面測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

2.1.3 荷載工況

在已確定的6個(gè)控制截面上，根據(jù)分級(jí)加載的原則，每個(gè)控制截面確定2個(gè)分級(jí)加載工況，共12個(gè)分級(jí)加載工況。一級(jí)加載車輛①和②，二級(jí)加載車輛①、②、③和④，加載車輛車位布置圖如圖3所示，現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖4所示。相應(yīng)的卸載工況按反方向進(jìn)行，加載實(shí)行逐級(jí)加載，逐級(jí)卸載，后加載車輛先卸載的原則，直至全部卸載完畢。

圖3 二級(jí)加載車輛布置示意

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)照片

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性(各階振動(dòng)頻率、對(duì)應(yīng)的振型、阻尼比等)是橋梁的一種固有特性，與橋梁的跨徑、結(jié)構(gòu)形式、建橋材料等有關(guān)[9]。本次橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性通過脈動(dòng)試驗(yàn)獲得。脈動(dòng)試驗(yàn)速度振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置在橋面上，測(cè)試橋面每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程。在每試驗(yàn)跨橋面左右護(hù)欄內(nèi)邊線L/10、3L/10、L/2、7L/10、9L/10位置處布設(shè)速度傳感器，測(cè)試橋梁自由振動(dòng)的速度時(shí)程。

2.3 理論模型

利用MIDAS Civil專業(yè)橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件，建立橋梁空間兩單元靜動(dòng)力計(jì)算模型。按照相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，考慮橋梁實(shí)際運(yùn)營荷載情況，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行核算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核。有限元理論計(jì)算的內(nèi)容包括：

(1)計(jì)算試驗(yàn)荷載作用下的荷載效率系數(shù)(試驗(yàn)內(nèi)力/設(shè)計(jì)內(nèi)力)。

(2)計(jì)算試驗(yàn)荷載作用下各測(cè)試量的大小，包括應(yīng)力(應(yīng)變)、位移。

(3)結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，包括橋梁結(jié)構(gòu)前5階自振頻率、振型。

3 荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)

就某一檢驗(yàn)項(xiàng)目而言，所需車輛荷載的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載產(chǎn)生的該檢驗(yàn)項(xiàng)目(內(nèi)力和位移等)的最不利效應(yīng)值，以滿足下式所定原則等效換算而得：

0.95≤η=Sstate/[(1+μ)S]≤1.05

(1)

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率；Sstate為試驗(yàn)荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)算效應(yīng)值；S為設(shè)計(jì)控制荷載作用下檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利計(jì)算效應(yīng)值；μ為規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)活載與試驗(yàn)加載的6個(gè)控制截面的計(jì)算結(jié)果，得到彎矩荷載效率系數(shù)如圖5所示。從圖中可以看出，靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)均在0.95～1.05范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范[11]要求。

圖5 各控制截面彎矩荷載效率系數(shù)

3.1.2 應(yīng)力

通過靜載試驗(yàn)得到的應(yīng)變，按照應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)(法向應(yīng)力方向)。二級(jí)加載工況下，各測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力實(shí)測(cè)值、計(jì)算值以及卸載后的殘余應(yīng)力值如圖6所示，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)如圖7所示，相對(duì)殘余應(yīng)力如圖8所示。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，圖中實(shí)測(cè)值為總應(yīng)力值與殘余應(yīng)力值的差值。

圖6 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比

圖7 應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)

圖8 相對(duì)殘余應(yīng)力

由圖中測(cè)試結(jié)果可以看出，同一控制截面正應(yīng)力實(shí)測(cè)值較為接近，同跨左右幅正應(yīng)力實(shí)測(cè)值分布情況相似，且均小于計(jì)算值，最大相對(duì)殘余應(yīng)力為10.29 %，實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力較小，表明該橋處于彈性工作狀態(tài)，主梁截面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)(實(shí)測(cè)值/計(jì)算值)介于0.72～0.79之間，未超過規(guī)范規(guī)定1.0，表明該跨線橋?qū)嶋H工作狀況良好，具有一定的安全儲(chǔ)備。

3.1.3 撓度

在二級(jí)加載作用下，經(jīng)支座沉降和溫度修正后，各測(cè)點(diǎn)的撓度測(cè)試結(jié)果及卸載后殘余變形值與計(jì)算值對(duì)比如圖9所示。各測(cè)點(diǎn)變形校驗(yàn)系數(shù)(實(shí)測(cè)值/計(jì)算值)如圖10所示，相對(duì)殘余變形如圖11所示。

圖9 撓度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比

圖10 變形校驗(yàn)系數(shù)

圖11 相對(duì)殘余變形

從圖中可以看出，各跨主梁實(shí)測(cè)撓度平滑連續(xù)，且均遠(yuǎn)小于規(guī)范中的最大容許值計(jì)算跨徑的1/600，撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，變形校驗(yàn)系數(shù)在0.51～0.78之間，均未超出規(guī)范規(guī)定1.0，表明結(jié)構(gòu)整體剛度較好。各工況卸載后，相對(duì)殘余變形最大值為8.73 %，均未超出規(guī)范限值20 %，表明橋梁在試驗(yàn)荷載下處于彈性工作狀態(tài)，無較大的不可恢復(fù)變形，截面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

跨徑20 m簡支梁固有頻率計(jì)算值為3.492 Hz，跨徑30 m簡支梁固有頻率計(jì)算值為3.357 Hz。該跨線橋固有頻率測(cè)試值如表1所示，各橋跨固有頻率實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，說明該橋整體剛度稍大于設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，各試驗(yàn)跨測(cè)試振型與理論計(jì)算振型分布相似，以左幅第一跨為例，第一階陣型分布圖見圖12。該跨線橋動(dòng)力測(cè)試結(jié)果顯示測(cè)試模態(tài)與理論模態(tài)基本吻合，表明該結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本滿足規(guī)范要求。

表1 第一階固有頻率、阻尼測(cè)試值

圖12 左幅第一跨第一階豎向振型(跨徑20 m)

4 結(jié)論與建議

(1)該跨線橋靜載各工況的測(cè)試應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.72～0.79之間，變形校驗(yàn)系數(shù)介于0.51～0.78之間，均未超過規(guī)范限值1.0，表明該橋?qū)嶋H工作狀況良好。

(2)該跨線橋?qū)崪y(cè)最大相對(duì)殘余應(yīng)力為10.29 %，相對(duì)殘余變形最大值為8.73 %，均未超出規(guī)范限值20 %，實(shí)測(cè)最大位移為8.21 mm，遠(yuǎn)小于L/600限值要求，表明該橋在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，無較大的不可恢復(fù)變形，具有一定的安全儲(chǔ)備。

(3)各橋跨固有頻率實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，該橋整體剛度稍大于設(shè)計(jì)值，動(dòng)力測(cè)試模態(tài)與計(jì)算模態(tài)基本吻合，滿足日常運(yùn)營安全需求。

(4)各靜、動(dòng)載試驗(yàn)表明，該跨線橋具有較好的承載能力，在設(shè)計(jì)荷載作用下處于安全狀態(tài)。為進(jìn)一步保障跨線橋安全性能，應(yīng)注重加強(qiáng)橋梁日常與養(yǎng)護(hù)管理工作，保持橋面和橋頭平順，避免車輛通過橋梁產(chǎn)生過大的沖擊從而影響結(jié)構(gòu)安全性。