基于荷載試驗(yàn)的連續(xù)梁橋承載能力評(píng)價(jià)研究

摘要 橋梁從設(shè)計(jì)施工到投入使用需經(jīng)過(guò)一系列的檢測(cè)工作，其中對(duì)橋梁承載能力的檢測(cè)及評(píng)價(jià)尤為重要，其反映了橋梁的整體受力性能、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)性能等是否滿足設(shè)計(jì)要求。文章通過(guò)具體的橋梁檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，首先根據(jù)設(shè)計(jì)文件采用Midas Civil軟件對(duì)檢測(cè)橋梁進(jìn)行建模，通過(guò)在模型中提取各工況下?lián)隙?、?yīng)變理論值，并與靜載試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中的測(cè)量值進(jìn)行比較，從而評(píng)定橋梁的承載能力；其次通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，檢驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)及在汽車動(dòng)力荷載作用下橋梁的受迫振動(dòng)特性，從而評(píng)定橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

關(guān)鍵詞 承載能力；Midas Civil；靜載試驗(yàn)；動(dòng)載試驗(yàn)；動(dòng)力性能

中圖分類號(hào) U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0033-04

0 引言

隨著我國(guó)新建橋梁日益增多，橋梁安全及性能評(píng)價(jià)日益引起人們的關(guān)注。橋梁承載能力檢測(cè)直接反映了橋梁的整體性能及安全性能。橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)通常采用加載車、水箱或其他重物對(duì)橋梁進(jìn)行加載，該方法簡(jiǎn)單、直接，能較快得出相應(yīng)結(jié)論，目前正在廣泛使用。基于此，該文以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景對(duì)相應(yīng)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢測(cè)，以評(píng)定其承載能力，在保障橋梁安全性能的同時(shí)為橋梁養(yǎng)護(hù)[1]單位提供養(yǎng)護(hù)依據(jù)，對(duì)后期橋梁運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)具有一定的指導(dǎo)及參考作用。

1 工程概況

某橋梁全長(zhǎng)88 m，橋跨布置為25 m+30 m+25 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，橋面全寬9.2 m，凈寬8 m，交角為90 °。上部結(jié)構(gòu)為C50預(yù)應(yīng)力混凝土，其施工工藝和截面形式為采用后張法施工的等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩和混凝土肋板臺(tái)，均采用C30強(qiáng)度混凝土，墩臺(tái)基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。橋面采用瀝青混凝土鋪裝，在橋面兩側(cè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土防撞護(hù)欄。橋梁荷載等級(jí)采用公路-I級(jí)。

2 模型建立

采用Midas Civil軟件對(duì)25 m+30 m+25 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁進(jìn)行建模，通過(guò)添加C50混凝土材料、導(dǎo)入橋梁不同截面，建立節(jié)點(diǎn)、單元，設(shè)置橋梁支座處的約束條件，再添加二期恒載、移動(dòng)荷載等參數(shù)即可在已建成模型中提取到相關(guān)參數(shù)，包括各個(gè)位置的應(yīng)力、撓度及橋梁整體的振動(dòng)頻率、振型等。該模型共建98個(gè)節(jié)點(diǎn)和97個(gè)單元，在荷載方面，混凝土自重取值為26 kN/m3，二期恒載取值為24 kN/m3，移動(dòng)荷載根據(jù)橋規(guī)設(shè)計(jì)為雙向行駛雙車道[2]。橋梁模型見(jiàn)圖1所示，設(shè)計(jì)荷載作用下橋梁彎矩圖見(jiàn)圖2所示。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)跨的選擇及測(cè)點(diǎn)布置

參照公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[3]，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選擇橋梁結(jié)構(gòu)受力最不利的截面進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)，選擇的截面為邊跨最大正彎矩截面、墩頂最大負(fù)彎矩截面及主跨最大正彎矩截面，在對(duì)應(yīng)截面的底板、腹板及翼緣板處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在對(duì)應(yīng)截面處橋面鋪裝的左中右側(cè)分別布置撓度測(cè)點(diǎn)。橋梁測(cè)試截面布置圖見(jiàn)圖3所示[4]。

3.2 試驗(yàn)工況及效率系數(shù)

為滿足公路橋梁承載能力評(píng)定要求，根據(jù)公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程，該次靜載試驗(yàn)共設(shè)置四個(gè)工況，其中工況二為A-A截面、B-B截面的合并檢測(cè)工況。加載車輛采用前中軸距為3.8 m、中后軸距為1.4 m、輪距為1.8 m的雙橋車，每車輛總重420 kN，其軸重分配為前軸84 kN、中軸168 kN、后軸168 kN[5]，共有4輛加載車參與加載。靜載試驗(yàn)效率系數(shù)應(yīng)滿足：

（1）

式中，ηq——靜載試驗(yàn)效率；Ss——所研究的最不利截面在理論加載中應(yīng)力或變形的最大計(jì)算效應(yīng)值；S——所研究的最不利截面在控制荷載產(chǎn)生的同一加載作用下，應(yīng)力或變形的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ——沖擊系數(shù)。試驗(yàn)工況及效率系數(shù)表見(jiàn)表1所示，可知各試驗(yàn)工況效率系數(shù)均滿足要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的撓度變形值和應(yīng)變變化值，撓度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示，應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

通過(guò)表2可知，在各工況荷載作用下結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)分別位于0.70～0.78，0.71～0.76，0.76～0.79，0.77～0.80之間；相對(duì)殘余變形分別位于8.2%～9.9%，0.0%～9.1%，7.1%～9.6%，3.1%～8.3%之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，相對(duì)殘余變形均小于10%[3]。表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，所測(cè)橋跨的剛度滿足要求。

通過(guò)表3可知，在各工況荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別位于0.69～0.81，0.67～0.79，0.69～0.81，0.67～0.83，0.69～0.82之間，相對(duì)殘余應(yīng)變分別位于2.0%～10.6%，3.8%～12.2%，4.2%～14.3%，0.0%～10.4%，2.0%～11.1%之間，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于0.9，相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%[3]。測(cè)試結(jié)果規(guī)律正常，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，且整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)無(wú)明顯裂縫產(chǎn)生，無(wú)異常變形及響動(dòng)。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容主要包括采用脈動(dòng)法測(cè)試橋梁的自振頻率，以及采用無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)定試驗(yàn)橋跨受力最不利截面在模擬橋面鋪裝層平順、無(wú)坑槽的情況下，橋跨結(jié)構(gòu)在勻速通過(guò)車輛作用下的沖擊系數(shù)。

4.1 自振頻率

結(jié)構(gòu)1階頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比值f1/[ f1]=5.66/4.46≈1.269，2階頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比值f2/[ f2]=9.08/6.51≈1.395，3階頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比值f3/[ f3]=12.50/7.85≈1.592。實(shí)測(cè)頻率均大于理論計(jì)算頻率，表明橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能良好。結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)的振動(dòng)頻譜圖見(jiàn)圖4所示。

4.2 沖擊系數(shù)

無(wú)障礙行車試驗(yàn)，測(cè)試截面在載重車輛以不同車速勻速通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生激振作用下的動(dòng)應(yīng)變。在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用1臺(tái)重載汽車沿橋梁中心線，分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h[6]的速度往返通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)理論計(jì)算值為0.25，第1跨A-A截面無(wú)障礙行車動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖5～8，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在0.04～0.07之間；第2跨C-C截面無(wú)障礙行車動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖9～12，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在0.04～0.10之間，均小于理論計(jì)算值，表明橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能良好。圖5～12是以橫坐標(biāo)單位為秒（s）、縱坐標(biāo)單位為微應(yīng)變（με）的時(shí)間應(yīng)變圖。無(wú)障礙行車試驗(yàn)的各工況沖擊系數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4所示。

5 結(jié)論

5.1 靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

靜載試驗(yàn)的撓度、應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果均小于理論計(jì)算值，且整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)無(wú)明顯裂縫產(chǎn)生，無(wú)異常變形及響動(dòng)。所測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)在現(xiàn)階段的工作狀態(tài)，滿足公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

5.2 動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁實(shí)測(cè)頻率值均大于理論計(jì)算值，橋梁無(wú)障礙行車試驗(yàn)沖擊系數(shù)均小于理論計(jì)算值[7]，所測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-02-01

作者簡(jiǎn)介：張宇（1994—），男，本科，工程師，從事橋梁檢測(cè)工作。