刁 硯，黃 山

(西華大學(xué),四川成都610039)

橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)于新建橋梁和既有橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)及承載能力最直接有效的檢驗(yàn)辦法。荷載試驗(yàn)分為靜載和動(dòng)載兩種，靜載是將靜止的等效荷載(多用載重的車(chē)輛充當(dāng))作用于橋梁上的控制截面位置，同時(shí)對(duì)該截面的應(yīng)變及撓度進(jìn)行測(cè)試；而動(dòng)載則是將移動(dòng)的荷載作用于橋梁上以測(cè)試其在動(dòng)荷載如車(chē)輛荷載通過(guò)時(shí)橋梁工作性能的方法[1,2]。

在試驗(yàn)之前還需進(jìn)行理論計(jì)算，以前期計(jì)算結(jié)果制定試驗(yàn)方案并此作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中的控制指標(biāo)。同時(shí)還會(huì)將理論計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，以此判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力[3]。

1 工程概況

雅安某多跨圬工拱橋(圖1)是一座7跨30 m，總長(zhǎng)239.4 m，橋面全寬12 m的圬工拱橋，每跨拱圈凈跨為30 m，凈矢高為6 m，矢跨比為1/5，拱圈厚0.8 m。由于修建時(shí)間較長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)雅安7.0級(jí)地震影響，本橋已發(fā)生了一定程度的病害，為全面檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性以及是否滿足有關(guān)公路橋梁規(guī)范及設(shè)計(jì)要求[4、5]，進(jìn)一步確定橋梁的承載能力和通行能力，為該橋下一步的維修和加固提供依據(jù)，該橋進(jìn)行了動(dòng)靜載相結(jié)合的橋梁荷載試驗(yàn)。

圖1 7×30 m多跨圬工拱橋

2 靜載試驗(yàn)方案

該橋的荷載試驗(yàn)控制截面見(jiàn)圖2。拱腳截面、L/4截面、拱頂截面靜力加載試驗(yàn)，測(cè)試主要內(nèi)容包括：

(1)第二跨(加載跨)拱腳截面、L/4截面和L/2截面的應(yīng)力測(cè)試；

(2)第二跨(加載跨)L/2、L/4截面的撓度測(cè)試和第一跨(相鄰跨)的L/2截面撓度測(cè)試。

圖2 測(cè)試截面布置示意

因橋面行車(chē)道寬度為8.5 m，故靜載試驗(yàn)每個(gè)控制截面都包括正載和偏載兩種工況。

車(chē)輛加載位置和工況的確定原則及依據(jù)是：盡可能用最少的加載車(chē)輛使控制截面達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率，該橋確定的試驗(yàn)加載截面及檢測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)加載截面及測(cè)試項(xiàng)目

圖3 工況一、工況二(拱腳截面最大負(fù)彎矩)

圖4 工況三、工況四(L/4截面最大正彎矩)

圖5 工況五、工況六(跨中截面最大正彎矩)

圖6 試驗(yàn)荷載橫橋向布置(單位：cm)

采用滿堂支架進(jìn)行應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)沿縱橋向布置于加載跨主拱圈L/2截面、L/4截面、拱腳截面。測(cè)試斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖7 主拱圈測(cè)試斷面布置圖

撓度測(cè)點(diǎn)布置橋面上下游側(cè)，觀測(cè)結(jié)構(gòu)豎向變位。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8所示：

(a)第二跨(加載跨)

(b)第一跨(相鄰跨)圖8 測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)布置示意

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 撓度測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

橋梁跨中截面在試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙仍囼?yàn)值與計(jì)算值比較見(jiàn)表2，其中正值代表向下，負(fù)值代表向上，撓度測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖8，其中，7、8號(hào)測(cè)點(diǎn)為相鄰跨的跨中撓度測(cè)點(diǎn)，其代表了荷載加載時(shí)，相鄰跨所受到的連拱效應(yīng)影響。因篇幅有限，此處僅列出工況五、工況六的情況。

從上表中數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試截面在工況五、工況六下跨中撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明其剛度滿足公路—II級(jí)荷載等級(jí)要求，同時(shí)，偏載效應(yīng)較小，但相鄰拱跨之間有一定的連拱效應(yīng)。

3.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

在試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面在不同工況下的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較見(jiàn)表3，因篇幅有限，此處僅列出跨中截面的情況，表中數(shù)據(jù)以受拉為正，受壓為負(fù)，單位均為MPa。

表3 跨中截面應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較

說(shuō)明：其中/表示其絕對(duì)值過(guò)小，若計(jì)算則誤差較大，故不計(jì)入。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，拱橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 殘余變形分析及裂縫觀測(cè)

測(cè)試前、后對(duì)控制截面進(jìn)行裂縫開(kāi)展的檢查，未發(fā)現(xiàn)有新裂縫的產(chǎn)生。

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

4.1 自振特性測(cè)試結(jié)果

自振頻率的計(jì)算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模計(jì)算得到，有限元模型自振頻率圖見(jiàn)圖9所示。

圖9 橋梁自振頻率有限元計(jì)算圖(f=5.65 Hz)

自振頻率的測(cè)試采用環(huán)境激勵(lì)法測(cè)得，實(shí)測(cè)頻譜圖見(jiàn)圖10所示。

圖10 跨中截面自振頻率實(shí)測(cè)圖(f=4.49 Hz)

從計(jì)算值5.65 Hz與實(shí)測(cè)值4.49 Hz對(duì)比可以看出，結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，這是因?yàn)楣皹騼?nèi)部的一些缺陷降低了橋梁本身的剛度，使得拱橋自振頻率偏小。

4.2 行車(chē)激振試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

不同速度的無(wú)障礙行車(chē)和有障礙行車(chē)(跳車(chē))激振下跨中截面激振圖見(jiàn)圖11、圖12，因篇幅關(guān)系僅列出無(wú)障礙行車(chē)30 km/h和跨中跳車(chē)15 km/h激振。

圖11 跨中截面無(wú)障礙行車(chē)30 km/h激振

圖12 跨中截面跳車(chē)行車(chē)15 km/h激振

通過(guò)激振試驗(yàn)測(cè)得活載在以不同速度通過(guò)橋梁之后的激振波形圖，活載動(dòng)力增大系數(shù)(1+μ)，可根據(jù)測(cè)記的測(cè)點(diǎn)動(dòng)撓度和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行整理分析。

通過(guò)模態(tài)軟件的分析，在不同車(chē)速下，跨中截面的跳車(chē)沖擊系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)跨中截面動(dòng)應(yīng)力沖擊系數(shù)(1+μ)

本次試驗(yàn)拱橋?qū)崪y(cè)基頻為f=4.49 Hz，由交通部《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[5]的規(guī)定計(jì)算可得，該橋的沖擊系數(shù)為1.25。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出：

跨中截面行車(chē)沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.26，跨中截面跳車(chē)沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.61，均大于規(guī)范計(jì)算值，沖擊系數(shù)較大，行車(chē)時(shí)振動(dòng)明顯，考慮到橋面鋪裝層有多處損害，橋面破損和局部坑洼對(duì)行車(chē)有較大影響，造成行車(chē)對(duì)橋梁的沖擊作用較大。

5 試驗(yàn)結(jié)論分析及建議

5.1 試驗(yàn)結(jié)論

(1)測(cè)試截面在各工況下跨中撓度及截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明其剛度和強(qiáng)度滿足公路—Ⅱ級(jí)要求, 且偏載效應(yīng)較小。

(2)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)基頻為4.49 Hz，小于計(jì)算值5.65 Hz，表明結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些病害和缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有一定影響，使得頻率有所下降。

(3)跨中截面跑車(chē)沖擊系數(shù)最大數(shù)值為1.26，跨中截面跳車(chē)沖擊最大數(shù)值為1.61，均大于規(guī)范計(jì)算值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)行車(chē)性能較差，考慮到橋面鋪裝層有部分損害，橋面破損開(kāi)裂和局部坑洼對(duì)行車(chē)有較大影響，造成行車(chē)對(duì)橋梁的沖擊作用較大。

5.2 建議

通過(guò)對(duì)雅安地震后某多跨圬工拱橋的結(jié)構(gòu)外觀損傷檢測(cè)及靜動(dòng)載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該橋出現(xiàn)了一定程度的病害和損傷，其中第二跨主拱圈和其余跨的腹拱圈砌縫出現(xiàn)了一定程度的滲水和砌縫空洞現(xiàn)象，因此必須采取一定的維修加固措施，對(duì)該橋進(jìn)行維修加固，以保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

(1)為了提高橋梁構(gòu)件的整體性，對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的裂縫進(jìn)行封閉和裂縫治理。對(duì)砌體裂縫，采用高壓壓注水泥砂漿的方法進(jìn)行治理,使之成為一體受力。

(2)對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行整治，鑿除破損開(kāi)裂的橋面鋪裝，重新鋪筑橋面鋪裝層，使行車(chē)平順，減小因橋面不平所造成的跳車(chē)對(duì)橋梁的沖擊作用。

(3)部分腹拱有較嚴(yán)重的滲水和砌縫空洞現(xiàn)象，為修補(bǔ)和增強(qiáng)腹拱的承載能力，建議可對(duì)腹拱采用U型套箍混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)，為了保證施工質(zhì)量，確保新老結(jié)構(gòu)共同作用，腹拱圈的套箍砼應(yīng)采用自密實(shí)微膨脹砼，并在拱圈表面上植筋以增加新老結(jié)構(gòu)的粘結(jié)。

本次通過(guò)對(duì)該拱橋的靜動(dòng)載試驗(yàn)，獲得了該橋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及整體受力性能情況，為今后該橋的綜合評(píng)估，修復(fù)、加固或重建提供了技術(shù)依據(jù)。

[1] 滑思慶，李剛，陳飛.簡(jiǎn)述橋梁荷載試驗(yàn)[J].山西建筑,2008,34(9)

[2] 代少敏,劉顯陸.橋梁荷載試驗(yàn)要點(diǎn)評(píng)述與展望[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009,(6)

[3] YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[S]

[4] JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[5] JTG D61-2005公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6] 邱順冬. 橋梁工程軟件Midas Civil應(yīng)用工程實(shí)例[M].北京: 人民交通出版社,2011