馮 星，孫常新

(1.湖南省交通科學(xué)研究院，長沙 410015;2.華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011)

1 工程概況

常(德)吉(首)高速公路第13合同段K117+620馬底驛II號大橋平面部分位于半徑R=1 000 m的平曲線上，其上部構(gòu)造為19～20 m的鋼筋混凝土空心板，先簡支后橋面連續(xù)。0號橋臺、19號橋臺設(shè)置GQF-Z80型伸縮縫，6號橋墩、12號橋墩設(shè)置 GQFMZL160型伸縮縫。下部構(gòu)造采用雙柱式橋墩配樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)，肋板臺配樁基礎(chǔ)，重力式橋臺配擴(kuò)大基礎(chǔ)。本橋部分橋型布置見圖1。該橋主要參數(shù)如下:橋面凈寬為2×凈11 m;設(shè)計荷載為汽車—超20級，掛車—120;設(shè)計洪水頻率1/100;區(qū)域內(nèi)地震強(qiáng)度為震動峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s。

為了檢驗該橋的承載能力及其使用功能是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以保證建成后通車營運(yùn)的可靠性，對該橋進(jìn)行了橋梁靜動載試驗，通過荷載試驗:①了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評價橋梁的營運(yùn)質(zhì)量。②檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工質(zhì)量。③有助于發(fā)現(xiàn)在常規(guī)檢查中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害。④了解一些在理論上難以計算部位的受力狀態(tài)。

2 靜載試驗及結(jié)果分析

2.1 加載斷面的選擇及觀測方法

根據(jù)工程要求，選取該橋右幅共二個斷面作為加載斷面，全橋共二個工況，見圖1。具體為:

工況Ⅰ——右幅12#～13#墩跨中最大正彎矩，Ⅰ-Ⅰ截面加載;

工況Ⅱ——右幅13#墩支點最大負(fù)彎矩，Ⅱ-Ⅱ截面加載。

根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)和工程運(yùn)行特點，檢測的試驗項目分別確定為:

1)應(yīng)力觀測 應(yīng)力觀測截面為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ共2個截面，試驗結(jié)構(gòu)表面外貼應(yīng)變計測試應(yīng)力。所有元件均采用振動頻率檢測儀測試。觀測截面應(yīng)力測點布置見圖2。

圖1 橋型布置

圖2 斷面應(yīng)力測點布置

2)撓度觀測 撓度觀測為跨中、四分點和支座截面。在每個測試斷面上安置一把精密水準(zhǔn)尺，用精密水準(zhǔn)儀觀測。

3)試驗荷載作用下的裂縫觀測 在加載前后檢測各部位裂縫，重點檢測加載截面在試驗荷載作用下裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。裂縫長度用小鋼尺量測，裂縫寬度用刻度放大鏡觀測。

4)相對殘余變形(殘余應(yīng)變)觀測 在各個工況下，加載到最大量級且變形穩(wěn)定時，測讀相應(yīng)控制測點變形值。卸載后變形穩(wěn)定時，再讀控制測點變形值，并計算殘余變形。

5)墩臺沉降觀測 先在觀測墩臺上做好測點記號，在加載前用精密水準(zhǔn)儀觀測各測點的高程，加載達(dá)到最大量級后觀測各測點高程，卸載達(dá)到穩(wěn)定后再觀測一次。當(dāng)試驗荷載作用下墩臺沉降較小，符合上部結(jié)構(gòu)的檢算要求，卸載后變位基本回復(fù)，認(rèn)為地基與基礎(chǔ)在檢算荷載下能正常工作。否則，墩臺沉降較大，卸載后變位不能回復(fù)時，應(yīng)進(jìn)一步對地基、基礎(chǔ)進(jìn)行探查、檢算，必要時對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

2.2 計算模型，試驗荷載及試驗方法

本橋分析模型采用有限元軟件進(jìn)行空間分析，分析實體為solid45單元，計算模型 solid45單元尺寸橫橋向為0.4 m，縱橋向為1 m。按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載計算加載汽車的車輛數(shù)量，各工況計算結(jié)果如表1，其中跨中截面加載工況如圖3所示。

采用的試驗方法為:①在試驗前，將加載汽車按計算的試驗荷載重量裝載，過磅稱重;②試驗荷載分4級逐級加載。在正式加載前、各量測儀表調(diào)零或初讀數(shù)。然后分級加載，每一級荷載加載完畢，等待結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，各量測儀表讀數(shù)。讀完數(shù)后，再加下一級荷載。當(dāng)全部荷載加載完成并讀數(shù)后，按一次全部卸載，等待30 min，各量測儀表測讀結(jié)構(gòu)的殘余變形。加載穩(wěn)定時間取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。同一級荷載內(nèi)，結(jié)構(gòu)最大變位測點在最后5 min內(nèi)的變位增量小于前一個5 min變位增量的15%，或小于量測儀表的最小分辨值時，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)變位達(dá)到相對穩(wěn)定。在進(jìn)行主要控制截面最大內(nèi)力加載程序時，加載穩(wěn)定時間不小于15 min。

表1 各工況加載計算結(jié)果一覽

圖3 跨中截面加載工況

2.3 靜載試驗結(jié)果分析

下面主要對I工況下12#～13#跨跨中的撓度與應(yīng)力的計算值與實測值進(jìn)行分析。表2給出了12#～13#跨(I工況)實測撓度與計算撓度的對比情況，從表中可以看出兩者有一定誤差，計算值一般較實測值大，這是因為理論計算模型一般比較簡單，建立模型時候沒有考慮鋼筋的影響，另外實際的混凝土彈性模量一般比理論上采用的值大。

表3給出了12#～13#跨跨中截面下緣應(yīng)力的實測值和計算值，圖4給出了12#～13#跨跨中截面下緣應(yīng)力—跨中彎矩曲線圖。從表中可以看出應(yīng)力的實測值與計算值的比值在69%～76%之間?？缰薪孛嫦戮墝崪y應(yīng)力與跨中彎矩呈直線關(guān)系，且12#～13#跨跨中截面在同一彎矩作用下其下緣的實測應(yīng)力值要小于計算的應(yīng)力值。從加載時的裂縫觀測來看，在各工況加載試驗過程中，最大試驗荷載作用下加載截面及墩柱未出現(xiàn)任何裂縫。

總結(jié)靜載試驗下工況Ⅰ和工況Ⅱ的計算和實測分析結(jié)果，對本橋可得出如下結(jié)論:①本次選取跨中和支點共兩個截面進(jìn)行了靜載試驗，試驗荷載效率系數(shù)均在0.85～1.05之間，滿足規(guī)范要求。②測量的彈性變形值與試驗荷載作用的理論值的比值分別為0.79和0.75，殘余變形和總變形的比值均小于0.2，最大變形值均小于規(guī)范允許值［Δ］=L/600，這說明在試驗荷載作用下測得的各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。③應(yīng)力實測值與計算值的比值在69%～76%之間，且在最大試驗荷載作用下加載截面及墩柱未出現(xiàn)裂縫。

表2 12#～13#跨(I工況)實測撓度與計算撓度 mm

表3 12#～13#跨跨中截面下緣實測應(yīng)力與計算應(yīng)力

圖4 12#～13#跨跨中截面下緣應(yīng)力—跨中彎矩曲線

3 動載試驗及成果分析

3.1 測試項目及試驗方法

橋梁結(jié)構(gòu)的動載試驗是研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性。通過動載試驗，測量該橋的動力性能，該性能是判斷橋梁營運(yùn)狀況和承載能力的重要指標(biāo)之一。沖擊系數(shù)是確定車軸荷載對橋梁動力作用的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響到橋梁設(shè)計的安全與經(jīng)濟(jì)性能，實測并積累有關(guān)沖擊系數(shù)的數(shù)據(jù)，是橋跨結(jié)構(gòu)動力荷載試驗的任務(wù)之一。

主要測試項目有:①測定橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的受迫振動特性，如沖擊系數(shù)，頻率等;②測定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性，如結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼特性等。

試驗方法如下:①橋梁受迫振動特性的試驗荷載采用1輛重車以30、40、50 km/h的不同車速通過橋梁，要求每次試驗時車輛在橋上的行駛速度保持不變;或在橋梁動力效應(yīng)最大的檢測位置進(jìn)行剎車試驗。②橋梁自振特性試驗是在預(yù)定激振位置，汽車后輪越過一根高15 cm的有坡面的橫木，車輪落下后立即停車;或者車輛通過橋梁后測量橋梁的余振。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖5(a)為汽車以40 km/h的速度在橋上通過所測得的波形分析圖，圖5(b)為汽車在橋上的跳車波形分析圖。根據(jù)測試結(jié)果可以看出:①受迫振動頻率在6.608～8.564 Hz的范圍;②自振頻率:一階自振頻率為8.564 Hz。對比理論值指標(biāo)均在橋梁結(jié)構(gòu)的正常范圍內(nèi)，說明該橋的動力性能滿足要求。

圖5 動載試驗波形

4 結(jié)論

根據(jù)該橋動靜載試驗測試數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:該橋強(qiáng)度、剛度和動力性能均滿足設(shè)計要求，在試驗荷載(達(dá)到設(shè)計值)作用下處于彈性工作狀態(tài)，主要指標(biāo)(撓度和應(yīng)力)實測值小于計算值，結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)性能較好。因此，常吉高速公路 K117+620馬底驛II橋的承載能力滿足設(shè)計荷載汽車—超20級和掛車—120的營運(yùn)要求。

［1］吳浪輝，馬保松，楊永貴.武漢白沙洲高架橋靜動載試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(12):15-17.

［2］中華人民共和國交通部.JTGD62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］中華人民共和國交通部公路司.JTGB01—2003 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.GB/T 50344—2004 建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.