基于荷載試驗的鋼混疊合梁技術(shù)評定研究

鞠森森　錢若霖　黃春暉　趙春晨

摘要：對于現(xiàn)役橋梁的管養(yǎng)小修、對于舊橋的評定加固已成為公路橋梁、市政橋梁建設(shè)單位一項舉足輕重的工作，本文采用成橋荷載試驗研究的評定方法，針對某鋼混疊合梁橋梁，通過靜載試驗研究各主要截面的應(yīng)力狀況、撓度變形，通過環(huán)境激勵和跑車試驗研究橋梁的自振特性和沖擊系數(shù)。研究表明：該橋的應(yīng)力和撓度校驗系數(shù)均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段，強度符合設(shè)計要求;橋梁基頻、阻尼比、沖擊系數(shù)等動力特性結(jié)果均滿足規(guī)范要求，表明橋梁整體性較強，剛度符合設(shè)計要求。基于靜動載試驗結(jié)果，提出了一種置信度優(yōu)化校驗系數(shù)區(qū)間的方法，有效避免了因數(shù)據(jù)隨機性和離散性過大引起的試驗結(jié)果精度不足的問題，精確了校驗系數(shù)的區(qū)間范圍，給同類橋梁靜載試驗分析提供一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋼混疊合梁;荷載試驗;置信度;區(qū)間估計

中圖分類號：U446.1

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0102-06

Research on technical evaluation of steel composite beams based on load test

JU Sensen， QIAN Ruolin， HUANG Chunhui， ZHAO Chunchen

（Civil Engineering College， Shannxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， Shaanxi China

）

Abstract：The maintenance and small repair of existing bridges and the assessment and reinforcement of old bridges have become a pivotal task for highway bridges and municipal bridge construction units. This paper adopts the evaluation method of bridge load test research， for a steel-concrete composite beam bridge， the stress conditions and deflection deformation of each main section are studied through static load tests， and the natural vibration characteristics and impact coefficients of the bridge are studied through environmental excitation and sports car tests. Research shows that the bridges stress and deflection calibration coefficients are both less than 1.0， indicating that the structural working state is in the elastic stage and the strength meets the design requirements; the fundamental frequency， damping ratio， impact coefficient and other dynamic characteristics of the bridge meet the requirements of the specification， indicating that the rigidity meets design requirements. Based on the static and dynamic load test results， a method for confidence optimization of the calibration coefficient interval is proposed， which effectively avoids the problem of insufficient accuracy of the test results caused by the excessive randomness and dispersion of the data， and precise the interval range of the calibration coefficient， providing a certain reference meaning for the static load test analysis of similar bridges.

Key words：steelconcrete composite beam; load test; confidence; interval estimation

無論是新建橋梁或是在役橋梁，定期檢測和維修是提高其耐久性的重要手段。目前對于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)狀況及承載能力的評價方法主要有5種[2-4]：外觀調(diào)查、設(shè)計規(guī)范方法、專家經(jīng)驗方法、結(jié)構(gòu)可靠性理論方法以及荷載試驗方法。據(jù)報道，通過對5座橋的實際評估結(jié)果分析，與規(guī)范對比提出了改進建議[5];從標(biāo)準(zhǔn)種類、評定手段、評定過程、病害等級和優(yōu)缺點等方面入手對多種評定方法進行分析研究并提出了優(yōu)化建議[6];隨機抽取國省干線公路橋梁，分別采用《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》對橋梁技術(shù)狀況進行評定，總結(jié)了兩種規(guī)定下橋梁技術(shù)狀況評定的特點[7];基于橋梁部位、適應(yīng)性、剛度退化及病害發(fā)展趨勢等因素在評定過程中無法合理考慮的問題，優(yōu)化了橋梁技術(shù)狀況評定方法[8]。0F6D8556-6ACD-4637-8135-A62BF25AC6C0

因此，荷載試驗作為最直接有效的一種評定橋梁技術(shù)狀況和承載能力的技術(shù)方法，從定量化的角度對其進行研究，優(yōu)化校驗系數(shù)取值，提高評估結(jié)果可靠度，對于發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的隱蔽病害，確保橋梁安全性能具有重要意義。

1工程概況及有限元分析

某高速公路橋梁主橋為單孔簡支鋼混凝土疊合梁，對應(yīng)下部結(jié)構(gòu)橋墩采用群樁排架墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋面橫坡坡度為2%（單向坡），縱坡坡度為1.1%。設(shè)計汽車荷載等級為公路-I級，設(shè)計時速為80 km/h，橋梁橫斷面布置：0.5 m+15.25 m（行車道）+0.5 m，試驗聯(lián)橋墩平均高度為25.25 m。橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土。

采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件MIDAS/civil，構(gòu)建主橋有限元模型，主梁由C50混凝土和Q345鋼材構(gòu)成，彈性模量分別取3.45×10⁴、20.6×10^4?MPa，容重分別為25、76.98 kN/m³;橋面鋪裝采用二期恒載的形式施加，容重為24 kN/m³。

主梁選用梁單元形式，支座選用一般支承模擬其邊界條件，靜力特性分析考慮換算截面，動力特性分析采用空間迭代法，有限元離散模型和設(shè)計車道荷載作用下的跨中彎矩包絡(luò)圖如圖1和圖2所示。

2靜力加載試驗

根據(jù)橋梁一般檢測及靜力荷載試驗實測數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析計算成果，根據(jù)應(yīng)變校驗系數(shù)對結(jié)構(gòu)強度進行分析，撓度校驗系數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度進行分析，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)安全使用性能的評定結(jié)果。

在實際判斷橋梁現(xiàn)狀安全性能和承載能力時，《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）[9]給出量化結(jié)果，即結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)指標(biāo)，通過試驗結(jié)果和理論結(jié)果之比，得到各主要測點校驗系數(shù)，其表達式：

η=S_e/S_s

式中：S_e為在實際試驗荷載下所測量的彈性變位（或應(yīng)變）試驗值;S_s為在試驗加載作用下，某工況的控制截面內(nèi)力或位移（或應(yīng)變）的最大計算效應(yīng)值。

當(dāng)η≤1時，表明結(jié)構(gòu)具備足夠的承載能力，有一定的安全儲備;當(dāng)η>1時，則表明結(jié)構(gòu)可能存在儲備不足的問題，需進一步計算分析其承載能力。

2.1測試截面選擇和測點布置

根據(jù)有限元分析對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果，確定橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩控制截面、撓度控制截面，選定跨中截面、1/4跨處截面橋梁測試截面分別為Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面，測試截面分布如圖3所示。

Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面各布置30個正應(yīng)變（應(yīng)力）測點（不包括溫度補償片），全橋共布置應(yīng)變測點60個;Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面各布置6個撓度測點，在10^#～11#橋墩的1^#、3^#、6^#T梁靠近支點處布置支點沉降測點，作為Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面撓度值修正依據(jù);全橋共布置撓度測點12個，測點布置位置如圖4所示。

為保證主要測試截面試驗荷載加載效率在0.85～1.05[3]，經(jīng)過計算分析，靜載試驗選用6輛汽車（均為3軸），每輛汽車車體重和荷載重共計375 kN，每個截面分別進行中載和偏載工況加載，共計6個工況;中載和偏載工況，標(biāo)準(zhǔn)加載車的橫向分布位置如圖5所示。

2.2靜載應(yīng)變結(jié)果

為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在加載過程中處于彈性工作狀態(tài)，其相對殘余應(yīng)變值結(jié)果需在20%以內(nèi)。因此，對靜載試驗應(yīng)變校驗系數(shù)結(jié)果進行分析，同時以相對殘余應(yīng)變作為參照，驗證數(shù)據(jù)可靠度。在荷載作用下，

每個工況對應(yīng)控制截面應(yīng)變實測值、理論計算值以及校驗系數(shù)值如表1所示;校驗系數(shù)分布如圖6所示;主梁沿腹板方向應(yīng)變值變化典型圖，如圖7所示。（其中應(yīng)變結(jié)果以受拉為正;受壓為負。）

根據(jù)實測值分析，不同試驗工況下各底板應(yīng)變相對殘余值在0%～17.6%，表明主梁在試驗期間，處于彈性受力階段。由表1及圖6可知，在保證加載效率0.85～1.05的實際車輛荷載作用下，每個工況底板測點應(yīng)變校驗系數(shù)在0.63～0.98;其中大于0.90的應(yīng)變校驗系數(shù)有2個，表明梁整體安全度足夠，全橋應(yīng)力狀況符合規(guī)范和設(shè)計要求。

由圖7可知，主梁各控制截面腹板測點應(yīng)變基本上呈三角形線性分布，表面主梁應(yīng)力受力合理可靠。

2.3靜載撓度結(jié)果

對靜載試驗撓度校驗系數(shù)結(jié)果進行分析，同時以相對殘余應(yīng)變作為參照，驗證撓度數(shù)據(jù)可靠度。在試驗荷載作用下，每個工況相應(yīng)控制截面的撓度實測值、理論計算值以及校驗系數(shù)值如表2所示。

現(xiàn)對上述24個數(shù)據(jù)進行分組，基于斯特吉斯經(jīng)驗公式[10]計算分組數(shù)為：

n=1+3.322lgN

=1+1.322×lg27=5.755

（取整數(shù)為6）

因此，根據(jù)樣本最大值和最小值可計算出每組數(shù)據(jù)范圍為0.078，可進一步計算出起始下限值為0.39。因此，將每組頻數(shù)、頻率計算結(jié)果列于表3中;并對頻數(shù)分布直方圖進行繪制，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，各工況下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)基本上服從正態(tài)分布規(guī)律，現(xiàn)根據(jù)95%的置信度，對各工況下的撓度校驗系數(shù)進行區(qū)間估計，置信區(qū)間為[μ-2σ，μ+2σ]，即在不同的靜載工況下，該鋼混凝土疊合梁橋的撓度校驗系數(shù)取值范圍為0.62～0.81，結(jié)構(gòu)剛度具有足夠的安全富余度，滿足規(guī)范和行車要求。

3動力特性試驗

3.1自振特性

在試驗跨1/4跨、跨中分別布置加速度傳感器，橫斷面布設(shè)位置為護欄內(nèi)側(cè)，根據(jù)自然環(huán)境激勵，對橋梁動力特性參數(shù)進行識別，分析主梁的振動響應(yīng)，包括自振頻率、阻尼比。主要根據(jù)傅里葉變換的譜峰值法，對數(shù)據(jù)進行自振特性參數(shù)分析，采用Coinv DASP V11軟件對自振特性參數(shù)進行識別，測試頻譜圖如圖9所示。0F6D8556-6ACD-4637-8135-A62BF25AC6C0

由實測結(jié)果可知，實測自振基頻為3.019 Hz，大于有限元計算值2.174 Hz;實測阻尼比為0.158%，屬于橋梁結(jié)構(gòu)正常的阻尼比范圍0.08以內(nèi)。表明結(jié)構(gòu)整體性較強，動剛度較大。

3.2動載試驗

為保證激振信號能夠達到足夠的強度，計算采用1輛載重汽車分別以30、40、50 km/h的時速駛過橋梁，對橋梁進行激振，以測取響應(yīng)信號;動應(yīng)變測點布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面3^#、4^#梁底板處。

采用Coinv DASP V11軟件進行數(shù)據(jù)結(jié)果識別，通過3點法的方法對沖擊系數(shù)進行計算，在跑車工況中測得主要截面的最大動應(yīng)變與相應(yīng)的靜應(yīng)變，進行計算，得到?jīng)_擊系數(shù)，結(jié)果如表4所示;每個控制截面測點動應(yīng)變時程曲線如圖10所示。

在跑車動載激勵下，橋梁試驗跨I-I截面、II-II截面的沖擊系數(shù)計算平均值分別為為0.053、0.050，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算的沖擊系數(shù)為0.121，實測值小于計算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體平順，在行車激勵下主梁結(jié)構(gòu)整體振幅較小。

4結(jié)語

（1）在相當(dāng)于設(shè)計汽車荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，各工況主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)0.63～0.98;主要測點應(yīng)變相對殘余均小于20%;各控制主梁截面腹板測點應(yīng)變基本上呈三角形線性分布，表明主梁應(yīng)力狀況符合設(shè)計要求。按照95%的置信度進行區(qū)間估計，該橋的撓度校驗系數(shù)在0.62～0.81，表面結(jié)構(gòu)剛度具有足夠的安全富余度，滿足規(guī)范和行車要求;

（2）根據(jù)動載試驗，橋梁實測基頻大于計算基頻，實測阻尼比為0.158%，滿足規(guī)范要求，試驗跨的實測沖擊系數(shù)均小于計算值，表面橋梁整體性較強，動剛度較大，同時橋面平順，行車激勵下主梁結(jié)構(gòu)整體振幅較小;

（3）采用圖表分析和區(qū)間估計，有效排除了因為應(yīng)變和撓度測點數(shù)量多而造成的數(shù)據(jù)隨機性和離散性大的情況，同時精確了校驗系數(shù)取值范圍，為各類橋梁靜載試驗校驗系數(shù)的計算分析提供了借鑒意義。

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