某連續(xù)剛構(gòu)橋荷載試驗(yàn)

何佳， 冉舵兵， 梁波， 王兵

(重慶市建筑科學(xué)研究院， 重慶市 400016)

連續(xù)剛構(gòu)橋源于1964年的聯(lián)邦德國(guó)，當(dāng)時(shí)建成的橋梁為主跨208 m的本道夫橋。中國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始引入連續(xù)剛構(gòu)橋，經(jīng)過(guò)幾十年的高速發(fā)展，部分領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

橋梁荷載試驗(yàn)作為橋梁投入使用前的一種驗(yàn)收手段，是對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的一種校核和評(píng)判。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)控制截面關(guān)鍵參數(shù)(如撓度、應(yīng)變、裂縫等)的采集，能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力性能和實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行評(píng)判。另外，成橋荷載試驗(yàn)報(bào)告，也是橋梁投入運(yùn)營(yíng)后管養(yǎng)部門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理及養(yǎng)護(hù)的原始資料。

1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋位于重慶市巫山縣，跨徑組成為(55+100+55) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁+6×16 m鋼筋混凝土連續(xù)板，橋梁全長(zhǎng)466.28 m，其中連續(xù)剛構(gòu)橋分左右兩幅布置，如圖1所示。右幅橋面寬度布置為7.5 m(車行道)+6 m(人行道)=13.5 m。設(shè)計(jì)汽車荷載：城-A級(jí)，人群荷載3.0 kN/m2；設(shè)計(jì)行車速度：40 km/h。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 外觀檢查

選取右幅橋?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象，荷載試驗(yàn)前，對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系及附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查。

上部結(jié)構(gòu)檢查包括梁體混凝土有無(wú)風(fēng)化、剝落、破損、鋼筋外露、銹蝕等病害，并檢查梁體是否存在不正常的變位；梁體是否有裂縫出現(xiàn)或裂縫的分布情況。

圖1 某連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置圖(單位：cm)

下部結(jié)構(gòu)檢查橋墩及基礎(chǔ)是否滑動(dòng)、開(kāi)裂和下沉，墩臺(tái)有無(wú)破損等，支座是否發(fā)生剪切變形、脫空等。

橋面系構(gòu)造檢查鋪裝、護(hù)欄、排水構(gòu)造物、橋上交通設(shè)施等。

2.2 靜載試驗(yàn)

(1) 應(yīng)變測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范設(shè)置試驗(yàn)控制截面，按照設(shè)計(jì)荷載計(jì)算控制截面的位置及最不利效應(yīng)值(內(nèi)力或變位)，然后在控制截面附近施加試驗(yàn)荷載，使試驗(yàn)荷載在控制截面產(chǎn)生的最不利效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載在控制截面產(chǎn)生的最不利效應(yīng)的比值滿足0.85～1.05的要求。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)設(shè)置在控制截面頂板、腹板及底板的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試(圖2、3)，并計(jì)算各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力，以此來(lái)判定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2 縱橋向應(yīng)變測(cè)試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖3 控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(2) 撓度測(cè)試

試驗(yàn)過(guò)程中，在控制截面設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)(圖4、5)，分析辨識(shí)結(jié)構(gòu)控制截面變形狀態(tài)，檢驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)剛度。

圖4 縱橋向撓度測(cè)試斷面布置示意圖(單位：cm)

圖5 橫橋向測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(3) 裂縫測(cè)試

根據(jù)外觀檢查結(jié)果，若在控制截面附近發(fā)現(xiàn)裂縫，則選擇具有代表性的裂縫，觀察裂縫在試驗(yàn)過(guò)程中寬度、長(zhǎng)度的變化情況；同時(shí)觀察控制截面附近是否出現(xiàn)新裂縫，若有，則記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、寬度、長(zhǎng)度及變化情況，通過(guò)以上數(shù)據(jù)，判斷橋跨結(jié)構(gòu)的抗裂性。

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能包括動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)：動(dòng)力特性包括自振頻率、阻尼比和振型等；動(dòng)力響應(yīng)包括動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度、沖擊系數(shù)測(cè)試等。通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)橋梁的整體動(dòng)力性能。

(1) 脈動(dòng)試驗(yàn)

采用隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)法，在橋梁不受任何車輛荷載作用下，通過(guò)高靈敏度拾振器拾取橋梁在大地振動(dòng)、風(fēng)荷載、水荷載等環(huán)境荷載作用下，橋梁的時(shí)域曲線，通過(guò)頻譜分析得出橋梁主要頻率成分(頻域曲線)，然后從頻域曲線中得到橋梁1階自振頻率。

(2) 跑車試驗(yàn)

在橋面無(wú)障礙的情況下，選用一輛450 kN試驗(yàn)車輛，分別以10、20、30、40 km/h的速度勻速往返通過(guò)試驗(yàn)橋梁。測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在移動(dòng)荷載作用下的受迫振動(dòng)響應(yīng)：動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度及衰減性能。

(3) 剎車試驗(yàn)

在橋面無(wú)障礙的情況下，選用一輛450 kN試驗(yàn)車輛，以20 km/h的速度行駛，行駛至中跨跨中處突然制動(dòng)。測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在制動(dòng)荷載作用下的受迫振動(dòng)響應(yīng)：動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度及衰減性能。

3 模型建立

為了使理論分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)更接近，采用Midas/Civil和橋梁博士分別建立計(jì)算模型。在兩套模型結(jié)果相近或一致的情況下，提取控制截面內(nèi)力、應(yīng)力及撓度理論結(jié)果。

右幅橋橋梁整體受力模型中將上下部結(jié)構(gòu)(含主梁及墩柱)劃分成121個(gè)梁?jiǎn)卧?。梁體的自重采用軟件中自帶的自重工況功能(自重系數(shù)為Z方向，值為-1)；其余二期鋪裝荷載及人行道構(gòu)件荷載均采用梁?jiǎn)卧奢d進(jìn)行模擬，車道荷載、人群荷載分別采用軟件自帶的車道功能按正、偏載進(jìn)行施加；橫、縱向折減系數(shù)均為1.00。

主要計(jì)算參數(shù)如下：

計(jì)算跨徑：(54.5+100+54.5) m。

主梁C50混凝土：彈性模量E=3.45×104MPa、線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃、重度為25 kN/m3。

墩柱C40混凝土：彈性模量E=3.25×104MPa、線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃、重度為25 kN/m3。

全橋邊界條件采用以下方式：在墩底設(shè)置固定支座，限制節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)共計(jì)6個(gè)方向的自由度；邊跨主梁端部設(shè)置活動(dòng)支座，限制Z方向平動(dòng)自由度，釋放其余方向轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)自由度；主梁與墩柱處采用剛性連接進(jìn)行處理，限制所有方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及平動(dòng)自由度。理論計(jì)算模型如圖6、7所示，控制內(nèi)力及效率系數(shù)如表1所示。

他頭發(fā)上的豬油全蹭到我身上，我媽以為我去偷了東西，又追著我打了一頓，那把鏟子又壞了，我媽打累了，支使我去買把新鏟子，不然沒(méi)晚飯吃。

圖6 Midas/Civil計(jì)算模型

圖7 橋梁博士計(jì)算模型

表1 試驗(yàn)工況、控制內(nèi)力、效率系數(shù)

4 試驗(yàn)過(guò)程及測(cè)試結(jié)果

為了消除環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，宜選擇溫度變化不大的凌晨或早上進(jìn)行試驗(yàn)。

由于應(yīng)變測(cè)試對(duì)溫度變化較為敏感，室外試驗(yàn)應(yīng)采用半橋方式粘貼應(yīng)變片，以減小溫漂影響。

動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，橋梁附近不可有其他人為振動(dòng)源。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

荷載試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)稱重過(guò)的車輛進(jìn)行編組，將配載車輛進(jìn)行分組，分組完成之后按照以下順序?qū)ο鄳?yīng)工況進(jìn)行試驗(yàn)：

(1) 首先安排部分試驗(yàn)車輛駛過(guò)橋梁，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)載。

(2) 預(yù)載完成之后將所有車輛進(jìn)行分級(jí)加載，加載完成待受力狀態(tài)穩(wěn)定后(加載完成后10 min內(nèi))開(kāi)始采集檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)采集完畢，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，待車輛離開(kāi)橋面讀數(shù)穩(wěn)定后，采集卸載后的數(shù)據(jù)。

(4) 第一個(gè)工況完成之后依次按照第(2)、(3)步的順序進(jìn)行下一個(gè)工況的試驗(yàn)。

(5) 所有試驗(yàn)工況完成之后，拆除應(yīng)變連接導(dǎo)線、檢測(cè)設(shè)備拆除，并將橋面遺留雜物清理干凈后離開(kāi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

4.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

應(yīng)變采用無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行采集。表2為部分工況下控制截面的應(yīng)變。

表2 工況1 下S1截面應(yīng)變結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看:S1截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)處于0.39～0.82之間，小于規(guī)范限值(f1p≤1.0)的要求，主梁處于彈性工作狀態(tài)；卸載后最大相對(duì)殘余變形為7.03%，滿足規(guī)范要求。

4.3 撓度測(cè)試結(jié)果

撓度采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。表3為部分工況下控制截面的撓度。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看:0～1跨各測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.52～0.75，小于規(guī)范限值(f1p≤1.0)的要求，主梁處于彈性工作狀態(tài)；卸載后最大相對(duì)殘余撓度為12.82%，滿足規(guī)范要求。

表3 工況1 撓度測(cè)試結(jié)果

4.4 裂縫測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)前對(duì)控制截面進(jìn)行外觀檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)控制截面處有裂縫存在。各工況加載、卸載后，控制截面均未發(fā)現(xiàn)混凝土有開(kāi)裂現(xiàn)象。

4.5 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

在箱梁內(nèi)部布置加速度傳感器，對(duì)橋梁的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)頻譜分析得到橋梁振動(dòng)頻域曲線(圖8)，然后得到橋梁的1階自振頻率(表4)。

圖8 橋梁頻域曲線

將加速度傳感器采集到的行車余振時(shí)域曲線及剎車余振時(shí)域曲線進(jìn)行波形分析，得到橋梁的阻尼比，如表4所示。

由表4可知：橋梁1階實(shí)測(cè)頻率值為1.286 Hz，大于計(jì)算值0.998 Hz，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度；阻尼比平均值為0.013，屬小阻尼振動(dòng)。

表4 阻尼比及頻率測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

荷載試驗(yàn)作為一種客觀和精密的檢測(cè)手段，能夠準(zhǔn)確地反映橋梁的受力狀態(tài)。檢測(cè)方案中，目標(biāo)參數(shù)的選取必須能夠反映橋梁的特征：比如應(yīng)變反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、撓度反映結(jié)構(gòu)剛度等。試驗(yàn)過(guò)程中，首先應(yīng)對(duì)外觀進(jìn)行檢查，確定實(shí)際結(jié)構(gòu)的外觀病害狀態(tài)，然后進(jìn)行預(yù)載，使橋梁進(jìn)入工作狀態(tài)，然后對(duì)試驗(yàn)加載及卸載過(guò)程中的目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此判別橋梁的實(shí)際強(qiáng)度、剛度及抗裂性。

另外，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)無(wú)法在箱梁內(nèi)部布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)時(shí)，可將測(cè)點(diǎn)布置在外表面。但結(jié)果評(píng)定時(shí)提取理論值的位置須與實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置一致，且對(duì)測(cè)點(diǎn)布置在底板(頂板)頂面或底面而言，在某一工況下，底板的頂面和底面均位于截面中性軸的同一側(cè)(受拉區(qū)或受壓區(qū))，只是應(yīng)力數(shù)值大小區(qū)別而已，對(duì)結(jié)果評(píng)定沒(méi)有影響。振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)布置亦是如此，測(cè)點(diǎn)處采集到的信號(hào)是對(duì)橋梁整體動(dòng)態(tài)性能的反映，放在橋面或箱梁內(nèi)部均可作為橋梁動(dòng)力性能評(píng)價(jià)的依據(jù)，對(duì)結(jié)果無(wú)影響。