低頻動荷載試驗判斷橋梁承載力的技術(shù)方法研究

岳 云，翟啟遠(yuǎn)

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030000)

1 引 言

橋梁荷載試驗即通過對橋梁結(jié)構(gòu)施加特定大小的荷載用以確定結(jié)構(gòu)的實際承載能力、使用性能和使用條件，從而檢驗施工質(zhì)量與理論設(shè)計之間的差異，還能根據(jù)試驗結(jié)果提出橋梁養(yǎng)護(hù)、限載、承載能力判斷等對策，對于保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全及使用具有重要意義。通常情況下，橋梁荷載試驗主要包括靜載試驗和動載試驗。前者即按照預(yù)定的加載方案對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜壓，這樣能在一定程度上反映橋梁結(jié)構(gòu)對于靜荷載作用下的實際反應(yīng)加之與設(shè)計荷載作用下的反應(yīng)進(jìn)行對比，能簡單直接地判斷施工質(zhì)量與理論設(shè)計之間的差異。而動載試驗是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，測定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參量的試驗項目，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、行車性能。動、靜荷載在判斷實際橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量與設(shè)計之間的差距、整體剛度質(zhì)量比、自振特性參數(shù)等方面是最常見的方法，但通過動靜荷載試驗往往只能判斷橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的特性，而實際行車過程中橋梁承載能力往往與橋梁結(jié)構(gòu)耐疲勞、動荷載沖擊等情況相關(guān)。在運營階段橋梁主要荷載反而是車輛動荷載占多數(shù)，以低頻動荷載試驗判斷橋梁承載能力更能反應(yīng)運營階段橋梁結(jié)構(gòu)受力反應(yīng)的真實情況。同時，低頻動荷載相對靜載試驗結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)更明顯直觀，能代表橋梁結(jié)構(gòu)在運營階段長期存在的變形狀況；低頻動荷載試驗所測得到的結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)本身是在消除結(jié)構(gòu)非彈性變形(如支座壓縮非彈性變形、結(jié)構(gòu)本身非彈性變形)基礎(chǔ)上得到的橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)更準(zhǔn)確、更接近于理論值。本文通過實橋荷載試驗對比了傳統(tǒng)荷載試驗、低頻動荷載試驗結(jié)果，通過分析二者之間對于判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響旨在尋求更為準(zhǔn)確、直觀的解決方案。

2 傳統(tǒng)荷載試驗、低頻動荷載試驗設(shè)計

本次橋梁荷載試驗工程項目為桑掌中橋，位于山西省陽泉市郊區(qū)辛后線。桑掌中橋是為賈城線在鄯都村附近跨越河道而設(shè)，試驗橋梁設(shè)計為：8 m×13 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，全橋1聯(lián)，橋梁橫斷面由5片預(yù)制板組成，板高0.7 m，梁間距1.65 m，采用單獨預(yù)制、簡支安裝、橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土+20 cm厚水泥混凝土?？倢? m(0.5+8+0.5 m)。橋梁汽車荷載等級為公路Ⅱ級。本次荷載試驗選取其中一跨進(jìn)行。加載用車輛相關(guān)參數(shù)如表1所示，荷載試驗加載工況及方式如表2所示。

表1 加載用車輛參數(shù)示意圖

表2 荷載試驗加載工況及方式

3 傳統(tǒng)荷載試驗、低頻動荷載試驗結(jié)果分析

通過采用傳統(tǒng)荷載試驗方法(靜荷載試驗、動荷載試驗)和低頻動荷載試驗方法對橋梁結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行分析研究，得到相關(guān)結(jié)果，對比分析數(shù)據(jù)，確定最終試驗結(jié)果和評定方法。

3.1 靜載試驗

靜載試驗主要測定橋梁結(jié)構(gòu)的靜力參數(shù)。通過對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行中載試驗，得到主要結(jié)果包括主測點(應(yīng)力、撓度)校驗系數(shù)、梁體相對殘余應(yīng)力、相對殘余撓度等，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，在中載工況荷載作用下，跨中截面各測點校驗系數(shù)在1.03～1.04之間，各測點校驗系數(shù)均大于1；工況1荷載作用下，跨中截面各測點最大相對殘余比為11.0%，小于20%。

3.2 動荷載試驗

動態(tài)試驗主要測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)。動荷載試驗主要結(jié)果包括一階頻率、阻尼系數(shù)和振型等。動載試驗結(jié)果往往以時程曲線的方式呈現(xiàn)。結(jié)果見表4、表5。

表3 中載工況下跨中A截面各測點撓度測試結(jié)果(已扣除支座變形)

表4 動荷載試驗試驗實測結(jié)果-脈動試驗

表5 動荷載試驗試驗實測結(jié)果-跑車試驗(均為單車)

圖1 跨中截面處豎直方向振動功率譜

3.3 低頻動荷載試驗

受困于目前動態(tài)應(yīng)變檢測結(jié)果精確度較差，因此本次低頻動荷載試驗結(jié)果主要列出橋梁結(jié)構(gòu)在靜載試驗荷載等效荷載勻速過橋的荷載作用下跨中截面2#～4#梁位移時程變化規(guī)律。通過低頻動荷載試驗(5 km/h雙車平行勻速過橋)，得到如下結(jié)果，見圖2。

圖2 跨中截面處動態(tài)撓度時程曲線

4 結(jié)論及探索

通過以上三種試驗結(jié)果可以得出：(1)低頻動荷載試驗相比于動載試驗的加載效率更高，往往能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)在極限承載力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動態(tài)反應(yīng)。(2)低頻動荷載試驗相比于靜載試驗不但能夠得到試驗加載前后的梁體彈性恢復(fù)率還能得到考慮活載沖擊下結(jié)構(gòu)的動態(tài)反應(yīng)。(3)低頻動荷載試驗往往更能接近橋梁實際運營狀態(tài)中極限下的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，若能積累大量的橋梁低頻動荷載據(jù)“指紋數(shù)”則在結(jié)構(gòu)承載能力評定、橋梁結(jié)構(gòu)抗疲勞性能檢測、大概率下動荷載對橋梁的沖擊等橋梁特殊檢測時具有更高的參考價值。綜上，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動靜載試驗時加入低頻動荷載試驗不但對于荷載試驗成本增加不大，還能通過低頻動荷載試驗建立橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)下大概率車輛過橋時的動態(tài)反應(yīng)值對于橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的判斷具有參考意義。