大跨PC連續(xù)梁橋荷載試驗研究（交通）

                        周金枝¹  謝  瑛¹  張若鋼²

（1．湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院武漢430068;  2．中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司  武漢430034）

摘要橋梁荷載試驗是對大跨度橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價的有效手段。以某大跨

PC連續(xù)梁橋為例，利用Midas軟件建立有限元分析模型，依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程對該橋進(jìn)行荷載試驗以及相應(yīng)的分析，試驗數(shù)據(jù)表明該橋主橋承載能力滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞  橋梁  荷載試驗  承載能力  有限元分析應(yīng)力  撓度

    為保證橋梁的交通安全并盡可能延長橋梁的使用壽命，需要對橋梁當(dāng)前狀態(tài)下的承載能力進(jìn)行評定。橋梁荷載試驗是判定橋梁承載力性能最直接有效的方法之一。本文以某大跨PC連續(xù)梁橋為例，通過試驗對該橋承載能力狀況與使用條件做出總體評價。

1橋梁概況

    某大跨PC連續(xù)梁橋主橋上部結(jié)構(gòu)為45 m+65 m+14×80 m+65 m+45 m-聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝

土變截面連續(xù)箱梁，梁體為寬翼緣斜腹板單箱單室截面。主橋橫向為一個單箱結(jié)構(gòu)，主橋梁體為寬翼緣斜腹板單箱單室梁，主橋箱梁頂板寬20m，底板寬8. 45～6.68 m，跨中梁高2.4 m，支點處梁高5.1 m，全橋梁體施工采用掛籃懸臂澆筑。橋面布置為0.5 m（護(hù)欄）+9 m（行車道）+1.0 m（中央護(hù)欄）+9 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄），該橋橋面車道布置為雙向4車道（非標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計荷載：汽一超20級、掛-120。活載效應(yīng)按4車道計算，橫向折減系數(shù)0.7（汽一超20級）。該橋立面圖及斷面圖見圖1。

2  有限元模型

    在荷載試驗前，通過Midas/Civil建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、動力計算分析。靜力分析：計算汽車（或人群）荷載作用下各控制截面內(nèi)力，并根據(jù)靜載試驗基本原則，確定各控制斷面加載輪位，輸出各試驗工況結(jié)構(gòu)效應(yīng)的理論數(shù)值，以此作為試驗參考依據(jù)，保證靜載試驗安全順利地進(jìn)行。動力分析：分析結(jié)構(gòu)的振動主模態(tài)，初步了解結(jié)構(gòu)的振動特性，為動力測點的布置和實橋模態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。

    仿真模型中混凝土主梁采用梁單元，全橋共劃分427個節(jié)點，426個單元，模型中除1個支座為固定支座外，其余均為活動支座，即釋放該節(jié)點處的梁端轉(zhuǎn)角和縱向位移，有限元模型見圖2。

3靜載試驗

    靜力荷載試驗是指通過在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計荷載或使用荷載基本相當(dāng)?shù)撵o態(tài)外加荷載，利用檢測儀器測試橋梁結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的力學(xué)效應(yīng)，從而評定橋梁承載能力。主要試驗內(nèi)容為：在靜載作用下結(jié)構(gòu)的位移、結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)力分布、外觀及裂縫觀測。主要試驗原則：靜載試驗各工況下所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的某工況下的最不利效應(yīng)值，按下式所定原則等效換算而得（注：該橋建于1990年，鑒于設(shè)計以及相關(guān)要求，靜載試驗效率參用《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行））：

3.1  測試截面及測點布置

    根據(jù)試驗跨的結(jié)構(gòu)特點和受力特性，并結(jié)合規(guī)程要求，選取以下試驗截面，見表1。

    考慮到箱梁高度遠(yuǎn)大于箱壁厚度，將各測試截面上的應(yīng)變測點全部布置在箱內(nèi)，底板測點布設(shè)在底板上表面，頂板測點布設(shè)在頂板下表面。

3.2加載工況及效率

    由《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》對試驗項目的原則規(guī)定，針對上述結(jié)構(gòu)控制截面，按照有限元計算的內(nèi)力包絡(luò)圖和內(nèi)力影響線結(jié)果，確定試驗跨以及靜力加載工況如下。

    主梁各測試截面的試驗荷載效應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)對比列于表2。由表2可見，各截面加載效率均大于規(guī)定值80%，試驗滿足規(guī)范要求。

3.3試驗結(jié)果與分析

3.3.1  主梁應(yīng)力分析

各工況靜載試驗應(yīng)力結(jié)果見表3。

    由表3可見，實測應(yīng)力校驗系數(shù)在0. 54～0. 98之間，實測值均小于計算值，梁體強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，卸載后，殘余應(yīng)變較小，底板殘余應(yīng)變率均低于20%，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.3.2  主梁撓度分析

各工況靜載試驗撓度結(jié)果見表4。

    由表4分析得知，試驗荷載下?lián)峡绫染�小于�?guī)范限值(L/600)，各測點校驗系數(shù)在0.65～

0. 81之間，實測結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

4動載試驗

    動載試驗是利用車輛荷載（或環(huán)境）激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，然后測定其固有頻率、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體動力剛度、行車性能。

4.1  脈動試驗結(jié)果及分析

    脈動試驗主要測量主橋的自振頻率、振型和阻尼比。脈動試驗測點布置見圖3。

通過對該主橋各測點采集到的脈動信號進(jìn)行剪切、濾波、加窗、細(xì)化等處理，經(jīng)頻域和時域分析，得到了主橋梁體豎向低階彎曲振動頻率及相應(yīng)振型、阻尼比，如表5所列。鑒于帶通濾波相當(dāng)于對頻域信號進(jìn)行非均勻加權(quán)，因此表5中給出的阻尼比要略小于實際值。從分析結(jié)果可以看出實測低階頻率均大于計算值，表明實際橋梁剛度滿足設(shè)計要求。

4.2  沖擊系數(shù)分析

    實測該橋主橋結(jié)構(gòu)基頻為1. 075 Hz，該橋設(shè)計沖擊系數(shù)取值為0. 05。2次動撓度測試跑車試驗沖擊系數(shù)實測沖擊系數(shù)最大值為0. 07，此時平均值為0.05，等于設(shè)計沖擊系數(shù)值，符合規(guī)范要求。

5結(jié)論

    (1)在試驗荷載作用下受力控制斷面的實測應(yīng)力、撓度值均小于計算值，實測應(yīng)力在正常范圍之內(nèi)，梁體強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

    (2)各工況卸載后，殘余應(yīng)變及殘余變形均在規(guī)范規(guī)定的20%以內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形能夠得到恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

    (3)實測低階頻率均大于計算值，表明實際橋梁剛度滿足設(shè)計要求。上部結(jié)構(gòu)實測自振頻率與理論計算頻率的比值大于1.1，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG／T J21-2011)，該橋主橋自振頻率評定標(biāo)度為1。

    (4)各試驗跨實測沖擊系數(shù)等于設(shè)計沖擊系數(shù)值，滿足設(shè)計要求。