公路預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁荷載試驗(yàn)研究

摘 要：本文以山東省某公路預(yù)應(yīng)力簡支梁為研究對象，使用有限元軟件計(jì)算了橋體的自振頻率，通過動載與靜載荷載試驗(yàn)，分析橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能，判斷橋梁的實(shí)際工作狀況是否符合設(shè)計(jì)要求或處于正常受力狀態(tài)，進(jìn)而判斷橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行期間的安全性，為后續(xù)橋梁養(yǎng)護(hù)和管理工作提供參考依據(jù)。研究結(jié)果表明：橋體一階振型對應(yīng)自振頻率f1=1.76Hz，二階振型對應(yīng)自振頻率f2=3.68Hz。上述計(jì)算結(jié)果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導(dǎo)致共振現(xiàn)象，影響橋梁的安全使用。各工況下各控制截面的主要應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測最大值為62με，滿足設(shè)計(jì)和使用要求，說明橋體在各類工況下工作性能良好。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；橋梁安全；荷載試驗(yàn)；連續(xù)梁運(yùn)營

中圖分類號：U 445" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋梁是現(xiàn)代公路橋梁中常見的一種橋梁形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好。朱強(qiáng)[1]采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固公路簡支T梁橋梁，研究結(jié)果表明加固效果良好。丘峰[2]通過荷載試驗(yàn)方法，綜合評估了寬跨比較大的簡支梁橋的實(shí)際承載能力，進(jìn)而確定了橋梁的實(shí)際運(yùn)營狀況和使用條件。陳明忠等[3]通過脈動試驗(yàn)、無障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)等方法，研究橋梁的自振特性和不同行車速度下的變形響應(yīng)，保障跳車試驗(yàn)下的沖擊作用安全性。姚慰[4]基于模態(tài)測試的等效荷載試驗(yàn)方法能夠方便快捷地評估橋梁承載能力，這種方法無需長時間中斷交通和大噸位加載車，具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。本文以山東省某公路預(yù)應(yīng)力簡支梁為研究對象，使用有限元軟件計(jì)算了橋體的自振頻率，通過動載與靜載荷載試驗(yàn)，分析橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能，判斷橋梁的實(shí)際工作狀況是否符合設(shè)計(jì)要求或處于正常受力狀態(tài)，進(jìn)而判斷橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行期間的安全性，為后續(xù)橋梁養(yǎng)護(hù)和管理工作提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

山東省某公路大橋全長671m，分左、右兩幅，跨徑布置為（40+40+40）m，平面位于直線上，縱斷面位于等高度直線上。第一聯(lián)箱梁與臨近大橋相連。上部結(jié)構(gòu)第一聯(lián)采用單箱雙室的全預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁，梁等高且為2.4m，第二聯(lián)采用40m裝配式先簡支后連續(xù)預(yù)支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁變截面空心墩，墩臺采用樁基礎(chǔ)。荷載等級為公路－Ⅰ級，橋面寬度：2m×16.5m。選取該橋第一聯(lián)左、右幅（40+40+40）m現(xiàn)澆箱梁作為試驗(yàn)聯(lián)，并對其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

橋址已建場地上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層素填土及耕土，第四系全新統(tǒng)坡洪積層粉質(zhì)黏土、漂石及沖洪積層粉質(zhì)黏土、漂石。層淤泥質(zhì)黏土：灰黑、深灰、灰黃、磚紅色，流塑～軟塑，以粉黏粒為主，黏性強(qiáng)，局部夾多層薄層粉砂及較多腐木碎塊。橋址區(qū)范圍內(nèi)大部分鉆孔有揭露，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，層面標(biāo)高為1.66～6.54m，層面埋深為0.00～4.40m，層厚為0.40～14.30m。巖土施工工程分級屬Ⅱ級，推薦承載力基本值σ0為30kPa。

2 有限元數(shù)值模擬

為了全面而深入地剖析連續(xù)梁橋梁在僅受自身質(zhì)量影響下的自振頻率特性，將詳盡的施工圖設(shè)計(jì)文件作為分析基礎(chǔ)，嚴(yán)格遵循《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的計(jì)算荷載標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)具有代表性的公路-I級荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精準(zhǔn)的理論計(jì)算。利用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil 2012構(gòu)建連續(xù)梁的三維數(shù)值模型（如圖1所示），分析各部件之間的連接關(guān)系及相互作用，保證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，該三維數(shù)值模型直觀地展示了連續(xù)梁的整體構(gòu)型、截面變化以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置，為后續(xù)的自振頻率分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

振型是指橋梁在某種自振頻率下的振動形態(tài)，它是橋梁結(jié)構(gòu)動力分析中的重要部分，有助于了解橋梁在不同振動模式下的變形特征。橋梁的自振頻率特性還與橋梁的穩(wěn)定性密切相關(guān)。圖2、圖3是橋梁一階、二階自振振型計(jì)算結(jié)果，由圖2、圖3可知，兩種振型最大變形位于中跨位置處，邊跨處的變形較小，一階振型對應(yīng)自振頻率f1為1.76Hz，二階振型對應(yīng)自振頻率f2為3.68Hz。上述計(jì)算結(jié)果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導(dǎo)致共振現(xiàn)象，影響橋梁的安全，須在橋梁上安裝振動監(jiān)測傳感器，實(shí)時監(jiān)測橋梁的振動情況，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的共振風(fēng)險(xiǎn)，定期對橋梁進(jìn)行全面檢測，包括結(jié)構(gòu)完整性、材料性能、連接件狀態(tài)等，保證橋梁處于良好狀態(tài)，并對橋梁的安全狀況進(jìn)行評估，包括結(jié)構(gòu)性能、振動特性等方面，保證橋梁始終處于安全可控狀態(tài)。

3 動載試驗(yàn)分析

對橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析，主要包括以下部分。1）跑車試驗(yàn)：采用一輛載重車輛分別以30km/h、40km/h和50km/h的行車速度通過橋梁，采集橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，測定結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比。2）剎車試驗(yàn)：采用一輛載重車輛分別以30km/h、40km/h和50km/h的行車速度通過橋梁，行駛至主跨跨中時進(jìn)行制動，測試橋梁結(jié)構(gòu)在汽車動荷載作用下的動撓度，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)[5]。

從以下幾個方面評定動載試驗(yàn)結(jié)果。1）橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測振型是否與結(jié)構(gòu)動力計(jì)算分析結(jié)果相符。2）橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測自振頻率是否大于結(jié)構(gòu)理論自振頻率，實(shí)測阻尼比是否處于正常范圍。3）實(shí)測結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)是否小于設(shè)計(jì)規(guī)范取值[6]。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合評價橋梁結(jié)構(gòu)的總體剛度及整體動力性能。對橋梁動載跑車、剎車試驗(yàn)均選擇主跨跨中截面進(jìn)行評價，通過全橋18個測點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)測試，跑車試驗(yàn)實(shí)測自振頻率對比結(jié)果、剎車試驗(yàn)沖擊系數(shù)檢測結(jié)果和模態(tài)測試橋梁實(shí)測自振頻率及阻尼比檢測結(jié)果匯總分別見表1和表2。

根據(jù)計(jì)算與實(shí)地測試結(jié)果，該橋梁在剎車試驗(yàn)中展現(xiàn)出了令人滿意的性能。實(shí)測沖擊系數(shù)的平均值為1.033～1.047，與通常關(guān)注的閾值相比，這個數(shù)值較低，不僅驗(yàn)證了橋梁結(jié)構(gòu)在應(yīng)對急停沖擊時具有良好的穩(wěn)定性與韌性，還反映了設(shè)計(jì)的合理性。此外，在跑車試驗(yàn)中，橋梁前二階自振頻率的實(shí)測值與理論計(jì)算值之比為1.18～1.38，這個比例表明實(shí)測性能優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)期，體現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下的優(yōu)異表現(xiàn)。

在偏載工況的細(xì)致考察下，橋梁左側(cè)與右側(cè)的撓度變化及應(yīng)變漸變趨勢與理論計(jì)算結(jié)果保持了高度一致，這個發(fā)現(xiàn)不僅體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在復(fù)雜受力狀態(tài)下的橫向剛度優(yōu)勢，在全橋異常變形觀察工況的極端加載條件下，橋跨結(jié)構(gòu)依然保持了穩(wěn)定的形態(tài)，未出現(xiàn)任何異常變形跡象，表明該橋梁整體結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況極為良好，具備極高的承載能力與安全性。

4 靜載試驗(yàn)分析

橋梁靜載試驗(yàn)通過模擬橋梁在實(shí)際使用中的受力情況，對橋梁結(jié)構(gòu)施加靜力荷載，觀測其在不同荷載條件下的變形和應(yīng)力分布情況。為了觀測橋梁變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力（應(yīng)變）狀況和變形情況，分別在箱梁外壁混凝土表面各布置18個應(yīng)變片。全橋總62個應(yīng)變測點(diǎn)（未計(jì)入溫度補(bǔ)償片），靜力試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)η的取值為0.95～1.05。η的計(jì)算過程如公式（1）所示。

η＝Sstat/（S×（1+μ）） （1）

式中：Sstat為實(shí)際靜載值；S為理論靜載值；μ為誤差系數(shù)。

工況1：墩頂最大負(fù)彎矩中載工況。工況2：墩頂最大負(fù)彎矩右偏載工況。工況3： L/4最大正彎矩中載工況。工況4：L/4最大正彎矩右偏載工況。工況5：跨中最大正彎矩中載工況。工況6：跨中最大正彎矩右偏載工況。工況7：全橋異常變形觀察工況。按主跨正彎矩最不利加載位置布置四列車并排沿全橋慢速行駛。計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

橋梁靜載試驗(yàn)的結(jié)果深入揭示了該橋梁結(jié)構(gòu)在靜態(tài)加載條件下的卓越表現(xiàn)與良好狀態(tài)。具體而言，將各測點(diǎn)相對殘余變形的實(shí)測數(shù)據(jù)控制在0.00%～16.67%，這個微小比例充分說明橋梁在承受設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的靜載作用后，能夠迅速且有效地恢復(fù)其原始形態(tài)，幾乎不會留下任何永久性變形，明確指出橋梁當(dāng)前處于一個健康且高效的彈性工作階段。這種良好的恢復(fù)能力不僅體現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)材料的高品質(zhì)與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也預(yù)示著其在長期使用過程中能夠保持良好的穩(wěn)定性和耐久性。進(jìn)一步分析各工況下，各控制截面的主要應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測最大值僅為62με（微應(yīng)變），這個數(shù)值低于材料屈服或破壞的臨界應(yīng)變值，顯示了橋梁結(jié)構(gòu)面臨不同工況的靜態(tài)加載時，均能保持足夠的強(qiáng)度和剛度，有效抵抗外界作用而不發(fā)生過度變形或損傷。同時，校驗(yàn)系數(shù)的平均值為0.72～0.79，低于行業(yè)規(guī)定的上限值1.05，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，表明橋梁的實(shí)際承載能力優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)期，為橋梁的安全運(yùn)行提供了有力保障。

5 技術(shù)控制措施

為保證后續(xù)橋梁長期使用，須采取有效的腐蝕防治措施。包括使用抗腐蝕性能好的鋼材、涂刷防腐涂料、定期進(jìn)行除銹和涂漆等，延長橋梁的使用壽命。在橋面、橋墩等部位涂刷防水涂料，防止水分侵入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而避免腐蝕和損壞。這是橋梁預(yù)防性維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。對位于地震頻發(fā)地區(qū)的橋梁來說，應(yīng)采取必要的抗震加固措施（例如增加橋梁的剛度和強(qiáng)度、設(shè)置抗震支撐等），提高橋梁的抗震性能。

定期進(jìn)行橋梁巡檢，保證橋梁的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的正常運(yùn)行。巡檢內(nèi)容包括橋面、橋墩、銹蝕情況、伸縮縫、防撞設(shè)施等各項(xiàng)安全要素檢查。橋梁清潔：定期進(jìn)行橋梁的清潔工作，包括清除橋面上的雜物和積水，保持橋面干凈整潔，延長橋梁的使用壽命和保障交通安全。保養(yǎng)保潔：清洗橋面、涂刷橋面防滑涂層、修復(fù)劃痕和漆膜剝落等，保持橋梁的整潔和美觀，同時提高橋梁的使用安全性和耐久性。對發(fā)現(xiàn)的病害和損傷要及時進(jìn)行維修加固處理，防止問題擴(kuò)大和惡化。維修加固工作應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，保證維修加固效果和質(zhì)量。利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立橋梁信息化管理系統(tǒng)，對橋梁的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，提高橋梁管理的智能化水平。

6 結(jié)論

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，橋體一階振型對應(yīng)自振頻率f1為1.76Hz，二階振型對應(yīng)自振頻率f2為3.68Hz。上述計(jì)算結(jié)果表明橋梁的自振頻率偏低，可能會與車輛或其他周期性荷載的頻率接近，導(dǎo)致共振現(xiàn)象，影響橋梁的安全使用，須引起足夠重視。

剎車試驗(yàn)實(shí)測沖擊系數(shù)平均值在1.033～1.047，均較小。該橋跑車試驗(yàn)橋梁前二階自振頻率實(shí)測值與理論計(jì)算值比為1.18～1.38，大于1，模態(tài)測試各階實(shí)測振型和理論計(jì)算一致，表明該橋的整體性能和動剛度良好。

各工況下的各控制截面的主要應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測最大值為62με，校驗(yàn)系數(shù)平均值為0.72～0.79，低于規(guī)定的上限值1.05。各測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～18.75%，均較小，說明該橋處于良好的彈性工作狀態(tài)，各工況卸載后結(jié)構(gòu)的應(yīng)變回零良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱強(qiáng).預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋荷載試驗(yàn)研究[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2023（35）：108-110.

[2] 丘峰.基于荷載試驗(yàn)的橋梁檢測技術(shù)應(yīng)用研究[J].黑龍江交通科技，2023，46（7）：83-85.

[3] 陳明忠，王斌.中小跨徑橋梁荷載試驗(yàn)有限元建模的梳理[J].山西建筑，2023，49（13）：177-179.

[4] 姚慰.基于橋梁承載能力與工程質(zhì)量為導(dǎo)向的橋梁荷載試驗(yàn)檢測要點(diǎn)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2023（13）：105-107.

[5] 劉仁，李光運(yùn)，何博，等.北非阿爾及利亞高速公路橋梁荷載試驗(yàn)應(yīng)用分析[J].交通世界，2022（35）：145-148.

[6] 亓興軍，孫緒法，周廣利，等.基于模態(tài)測試的裝配式簡支梁橋等效荷載試驗(yàn)方法研究[J].地震工程與工程振動，2022，42（4）：61-69.