王文忠

（吉林省林業(yè)勘察設計研究院，長春130022）

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，跨線橋、立交橋、城市高架橋等越來越多。其中一些橋梁由于設計、施工外荷載作用、超載等原因，個別橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴重的損傷及垮塌現(xiàn)象。因此為了使橋梁能夠安全的運營，需要對橋梁進行必要的檢查及維護，然而僅僅依靠傳統(tǒng)的的儀器檢測設備已不能滿足對橋梁健康檢查的要求［1］。這就要求我們必須通過更加精確合理的方式進行檢測。目前比較常用的檢測方法是動靜載試驗法。

橋梁的動靜載試驗是一項復雜而細致的工作，試驗前應先計算出橋梁結構在設計或期望荷載下的最不利的組合值，并求出最不利截面的荷載內力影響線，然后在實驗條件允許的情況下盡量選用與控制荷載相同類型的荷載，利用其內力影響線對結構進行最不利布載，此最不利荷載即是試驗荷載。確定試驗荷載后，通過布置應變計、加速度傳感器、位移傳感器等測出橋梁的豎向自振頻率和沖擊系數(shù)。

本文的工程實例是簡支轉連續(xù)梁橋。簡支轉連續(xù)梁橋涉及到體系轉換及支點負彎矩的問題，在對此橋梁進行檢測時采用的檢測方法是常用的動靜載試驗法。此方法簡單易行，測量準確。已在國內橋梁檢測領域取得廣泛應用。

1 工程概況

DK19＋972立體交叉橋位于明長公路DK19＋972處，鐵路與公路實際交角為87°，公路橋設計角度為90°，橋下鐵路凈空按鐵路橋規(guī)“橋限－2”控制，實際凈高為12.90m。橋全長66m（兩橋臺耳墻端點之間的距離），橋梁起點樁號為K19＋939，橋梁終點樁號為K20＋5，中心樁號為K19＋972。橋梁結構為跨徑3×20m簡支轉連續(xù)預應力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，共計4片梁，梁高1.2m，主梁上部為10cm整體化混凝土，橋面鋪裝為8cm的C50防水混凝土。

采用雙柱式橋臺，橋墩采用雙柱式橋墩，柱徑為1.3m。

2 動靜載試驗前的準備工作

在進行結構動靜載試驗前，要進行各方面的準備工作，首先要利用有限元分析軟件建立橋梁結構模型。由于橋梁結構為跨徑3×20m簡支轉連續(xù)預應力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，所以在進行模型建立時要模擬體系轉換的過程，把實驗荷載效應加到施工階段［2］。在進行CAD界面導入的時候要把橋面鋪裝和主梁放在不同的圖層。圖1為利用橋梁博士建立的有限元模型。

圖1 橋結構有限元模型

橋梁模型建立完畢，根據(jù)橋梁荷載試驗規(guī)范要求，對于簡支轉連續(xù)梁橋需要對各跨中、支點截面的應力和撓度進行試驗檢測。但由于第二跨通行火車的限制，使得第二跨跨中無法檢測，基于此原因，本橋的應力檢測選定為一跨、三跨跨中和中支點3個控制斷面；撓度檢測選定為一跨、三跨跨中2個控制斷面。

3 靜載試驗

靜載試驗檢測法是通過對橋梁進行靜載試驗，量測與橋梁結構性能相關的具體參數(shù)。如撓度、應力、裂縫等。通過靜載試驗測出這些參數(shù)，分析出結構的強度、剛度及抗裂性能，據(jù)此來判斷橋梁的承載能力。對于應變測量采用外貼式振弦傳感器，對橋梁的撓度及變形采用電子精密水準儀進行測量。實驗前利用Dr.Bridge軟件建立有限元計算模型，進行結構設計荷載效應和試驗荷載效應的計算。

靜力荷載試驗通過在橋上加載試驗車輛模擬設計荷載。為完成上述靜載試驗內容并達到檢測目的，根據(jù)選定的控制斷面和邊、中梁的布置形式，全橋共需要加載下面工況：跨跨中中梁正彎矩、撓度最大值；跨跨中邊梁正彎矩、撓度最大值；三跨跨中中梁正彎矩、撓度最大值；三跨跨中邊梁正彎矩、撓度最大值；支點處邊梁最大負彎矩；支點處中梁最大負彎矩。

加載車輛在試驗前要逐一稱重、編號并記錄軸重和軸距。要求：車輛總重偏差≤±5%，軸重偏差≤±10%。

本次試驗為鑒定荷載試驗，根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》的要求，橋梁的靜力試驗按荷載效率η來確定試驗的最大荷載。靜力荷載效率η的計算公式為：

式中：μ——靜力荷載試驗效率系數(shù)；

Ss——靜載試驗荷載作用下檢驗項目的計算效應值；

S——設計控制荷載作用下檢驗項目的最不利效應值；對于車輛荷載應計入沖擊系數(shù)μ；

根據(jù)汽車設計荷載在上述截面上產(chǎn)生的荷載效應為依據(jù)，在各截面荷載效應影響線上進行試驗加載計算，使設計汽車荷載產(chǎn)生的效應與試驗車荷載產(chǎn)生的荷載效應之比滿足規(guī)范規(guī)定的靜力試驗荷載效應系數(shù)的要求。靜載試驗各工況加載效率系數(shù)見表1。

表1 靜載試驗各工況加載效率系數(shù)一覽表

工況中的主梁變形及撓度擬采用電子精密水準進行測量；各工況下的結構應變采用外貼式振弦傳感器進行測量，用專門的振弦讀數(shù)儀進行采集，并在負彎矩工況下用裂縫測寬儀進行裂縫觀察和測量。必要時，對于梁體的某些部位用鋼筋定位儀進行鋼筋定位檢測。

4 動載試驗

4.1 動載實驗內容及方法

動載試驗的目的在于研究橋梁結構的動力性能，該性能是判斷橋梁運營狀況和承載能力的重要標志之一［3］。比如動力系數(shù)是確定車輛荷載對橋梁動力作用的主要技術參數(shù)，直接影響到橋梁設計的安全與經(jīng)濟性能；橋梁過大振動可能引起乘客和行人的不舒適；橋梁自振頻率超出某些范圍時，有引起橋梁共振的危險。橋梁的動力試驗主要圍繞沖擊系數(shù)做文章。實際的動力試驗包括以下內容：

（1）脈動試驗：在主梁的某些位置設置加速度傳感器，進行振動信號采集，可獲得主梁的振動頻率；這些頻率可用于結構的參數(shù)分析，進一步確定結構的剛度和質量分布情況。

（2）無障礙行車試驗：計劃采用2輛重25t的翻斗車勻速駛過主橋，預計速度從20km／h逐步變化到60km／h。同樣要在主梁上進行拾振，記錄結構在不同車速下的振動響應。本試驗可以得到車輛對結構的沖擊系數(shù)，建立沖擊系數(shù)與車速的關系曲線，可以獲得最不利車速。

（3）跳車試驗：計劃采用1～2輛重25t的翻斗車，在預先設置好的高20～30cm的枕木上落下，對結構產(chǎn)生瞬時沖擊。也是要在主梁的指定截面進行拾振，記錄結構在瞬時沖擊后的衰減曲線，通過該曲線可以獲得結構的頻率和阻尼系數(shù)。

4.2 動載試驗主要結果及分析評定

4.2.1 橋梁結構基頻

此次動載試驗采集到每跨兩支座處、跨中、L／4、3L／4的地動脈，跳車工況和跑車工況的加速度時程曲線及頻譜圖。通過支點處進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，經(jīng)理論計算該橋梁的一階自振頻率為1.3Hz，實測橋梁的一階自振頻率為3.54Hz，動測數(shù)據(jù)分析表明：橋梁一階自振頻率的振型為全橋反對稱豎彎。測頻率大于理論計算值，說明該橋實際剛度較大，振動響應較小，行車性能正常。圖2示意地脈動試驗第一跨L／4處測點速度時程曲線及頻譜圖。

圖2 地脈動試驗L／4處測點速度時程曲線及頻譜圖

試驗工況：地脈動 第1次試驗

測點位置：一跨中梁1L／4

試驗名：地脈動 試驗號：1

測點號：3

測試日期：2011－10－30

采樣頻率：100Hz dt：10ms df：0.097 656Hz

數(shù)據(jù)點數(shù)：90K點

長度：900.00s 光標位置

頻 率：1.56Hz

4.2.2 沖擊系數(shù)

通過動載實驗獲得橋梁結構的沖擊系數(shù)是目前獲取沖擊效應的唯一可靠的方法。沖擊系數(shù)的測試通常采用測試結構動應變或動撓度的方法［4］。該橋采用位移傳感器測量結構的沖擊系數(shù)。試驗時共采用20、30、40、50和60km／h 5個速度工況。經(jīng)過比選速度為40km／h測得的沖擊系數(shù)最大，為0.09 Hz，而理論計算值為0.05Hz。經(jīng)計算結構實測的沖擊系數(shù)滿足《公路橋涵設計通用規(guī)范》的規(guī)定值0.117（當1.5Hz≤f≤14Hz時，μ＝0.176 7lnf－0.017 5）。圖3是速度為40km／h時的位移時程曲線。

圖3 位移時程曲線

5 結語

通過對DK19＋972立體交叉梁橋的靜載試驗可以得出如下結論：該橋的靜工作性能良好，正常使用狀態(tài)能滿足公路－Ⅰ級設計荷載的要求，在試驗過程中未見肉眼可見裂縫，結構處于線彈性工作范圍，試驗橋跨的橋墩未產(chǎn)生可觀測到的沉降變位。

對于成橋動載試驗可以得出如下結論：由地脈動、跳車的實測速度時程曲線及頻譜數(shù)據(jù)可知，該橋橋梁振動響應較小，行車性能良好。

當然，隨著科技的發(fā)展，人工智能將廣泛地應用于橋梁檢測和分析上［5］。隨著學科交叉現(xiàn)象日益普遍，一些高新技術的最新研究成果將應用于橋梁檢測技術，不斷地推動橋梁檢測技術的飛速發(fā)展。

［1］張俊平.橋梁檢測［M］.北京：人民交通出版社，2002：43－47.

［2］陳強.先簡支后連續(xù)結構體系橋梁施工過程檢測及其仿真分析［J］.中國鐵道科學，2004（5）：126－133.

［3］馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術［M］.西安：西安交通人學出版社，2000：33－36.

［4］劉博，盛興旺.預應力混凝土先簡支后連續(xù)梁靜、動力試驗研究［J］.中國鐵道科學，2004，25（6）：88－93.

［5］吳志勤.橋梁檢測與發(fā)展趨勢簡述［J］.山西建筑，2007，33（13）：278－280.