沿海高速新洋港大橋加固后動靜載試驗與分析

孫宏偉

摘要：橋梁動靜載試驗是通過對橋梁結構物直接加載后進行有關測試、記錄與分析工作，以達到了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，進而評定橋梁結構施工質量和使用狀況。作者針對新洋港大橋在通車后不久發現的問題，經施工加固后介紹動靜載試驗的實施方案和過程，分析了新洋港大橋動靜載試驗的結果，對類似工程的檢驗和評估具有較高的參考價值。

關鍵詞：橋梁靜載動載試驗研究

中圖分類號： U445 文獻標識碼： A

1.前言

新洋港大橋位于沿海高速射陽縣境內，主橋上部結構為（42.89＋3×60＋34.50）m錯孔布置5跨變截面預應力混凝土連續箱梁，主橋箱梁采用掛籃懸澆施工。橋面雙幅寬度36m，設計荷載：汽車－超20級，掛車－120。該橋于2006年11月份建成通車。

江蘇省交通規劃設計院有限公司在2009年定期檢查中發現該主橋箱梁底板存在縱橫向裂縫、部分節段底板空洞分層、腹板斜向裂縫等病害，并進行了詳細檢測和維修加固設計。針對檢測發現的主要病害，針對性的采取了以下加固措施：

（1）對所有裂縫根據其寬度不同分別進行了封縫或灌縫處理，并對空洞、破損、露筋等部位進行了修補；

（2）箱室頂板沿橫向粘貼條寬25cm、縱向間距25cm的碳纖維布條；

（3）在斜裂縫較多的部位及抗剪尺寸偏薄部位的腹板內外表面粘貼5mm厚、條寬15cm，間距25～40cm的鋼板條進行加固，并植埋M10螺栓加壓、錨固；

（4）對裂縫較多的橫隔板粘貼整塊5mm厚鋼板，對鋼板植埋M10螺栓預壓、錨固，螺栓按約45cm間距梅花形布置。

為了檢驗本橋加固效果，評價加固后橋梁在設計使用荷載下的工作狀況和安全性，江蘇沿海高速公路管理有限公司委托上海市公路工程質量檢測中心中心對其左右幅主橋進行荷載試驗。

2.試驗目的

通過對新洋港大橋主橋進行動靜載試驗，了解該橋梁加固后的工作狀況，評估橋梁的加固效果。具體內容如下：

2.1通過靜載試驗，測試在試驗荷載作用下箱梁控制截面的應力和撓度變形，分析其受力性能和工作狀況是否滿足設計及規范要求；

2.2通過動載試驗，測試箱梁的自振頻率和阻尼比，并獲得箱梁在跑車、剎車及越障試驗時的受迫振動響應，以此分析評定箱梁的動力性能；

2.3通過試驗實測數據和理論數據的對比分析，評定加固后橋梁的承載能力和安全性是否可以滿足設計正常使用要求。

2.4通過荷載試驗建立橋梁加固后的初始技術檔案，同時亦為設計理論、施工技術總結積累經驗，為橋梁建設的整體水平提高創造條件，為今后橋梁的養護管理提供參考資料。

3.試驗方案設計與實施

3.1 橋梁外觀檢查

在荷載試驗前后對梁體進行全面、細致的復查，具體裂縫檢查方法如下：

在裂縫邊約3～5mm處用粉筆或記號筆或毛筆勾畫線，以示醒目和照相記錄。 在裂縫部位用小錘敲擊，若聲響輕脆，則內部未起殼，估計內部沒有脹裂現象產生。若聲響沉悶和明顯起殼聲，則內部有脹裂現象產生。根據現場裂縫調查情況，如發現有未修補的裂縫，則進行標識并選擇典型裂縫按相應最不利位置進行加載，用裂縫觀測儀或應變計測量其在荷載作用下的長度和寬度等變化情況。

3.2 靜力荷載試驗

靜載試驗采用三軸載重汽車，所需車輛荷載的數量，根據設計控制荷載產生的最不利效應值按下式所定原則等效換算而得，即試驗荷載作用下控制截面的內力和設計荷載作用下的內力比值η（荷載效率系數）滿足：0.8≤η≤1.05，以達到荷載等效的目的。

式中：－靜力試驗荷載效率；－試驗荷載作用下檢驗項目計算效應值；

－設計控制荷載作用下檢驗項目的最不利計算效應值；

－規范采用的沖擊系數。

3.2.1靜載試驗加載位置和加載工況

加載位置與加載工況的確定主要依據的原則是：盡可能用最少的加載車輛達到最大的試驗荷載效率，同時考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，并在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進行適當合并，每一加載工況依據控制檢驗項目設置，同時兼顧其它檢驗項目。經過大量的計算分析和優化合并后，各測試截面的荷載效率系數滿足0.80~1.05的要求，

根據橋梁結構形式、跨度和行車道數，計算各個加載截面的內力影響線，并據此進行荷載布置，各截面試驗荷載布置均滿足試驗方法規定的荷載效率系數0.8～1.05范圍內的要求。

其中荷載橫向布置橫向分別采用對稱和偏載兩種方式進行加載。

應變測點布置：各截面應力測點布置，主要測試結構關鍵截面在試驗荷載作用下的應力大小和分布規律，并和理論值進行對比，以分析結構的受力性能。

撓度測點布置：在測試截面箱梁頂板和底板分別布設。

3.2.2靜載試驗實測結果與分析

3.2.2.1撓度實測數據分析

經現場測試，左幅主橋在各個加載工況作用下控制截面撓度進行實測，經與理論值對比：

（1）在試驗荷載作用下，各控制截面實測撓度平均值均小于理論計算值，撓度校驗系數最大值為0.95，最小值為0.74，均小于1.0，且處于常值范圍內，滿足試驗方法的要求；

（2）在試驗荷載作用下，跨徑為34.44m和42.83m的邊跨實測撓度最大值分別是3.96mm和8.26mm，跨徑為60m中跨實測撓度最大值為15.94mm，均遠小于L/600，表明結構剛度滿足規范要求。

由撓度分析可看出：左幅各跨箱梁剛度滿足設計和規范要求。

3.2.2.2應力實測數據分析

經現場測試，左幅主橋在各個加載工況作用下主橋控制截面應力進行實測，經與理論值對比：

（1）在試驗荷載作用下，各試驗跨箱梁控制截面下緣實測應力平均值均小于理論計算值，其應力校驗系數小于1.0，滿足試驗方法的要求；

（2）在試驗荷載作用下，各控制截面箱梁腹板和底板實測應力分布雖有不均勻和個別測點應力偏大現象，但經檢查未發現有新增可見裂縫，結構受力總體上處于安全狀態。

（3）由應力實測數據分析：左幅主橋在設計荷載下主體結構總體處于安全受力狀態。

3.2.2.3相對殘余變形（應力）分析

在試驗荷載作用下，左右幅主橋各測試斷面卸載后相對殘余變形和應力均在《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》規定的20％以內，表明結構在卸載后變形能得到及時回復，處于彈性工作狀態。

3.2.2.4結構抗裂性

由于裂縫是評定混凝土結構承載能力及耐久性的主要標志之一，荷載試驗前后現場檢測人員對各試驗跨均進行了細致的外觀檢查，未發現有明顯裂縫。因此加固后的梁體抗裂性滿足設計和正常使用要求。

3.2.3靜載試驗小結

在試驗荷載作用下，左右幅各控制截面實測撓度平均值均小于理論計算值，撓度校驗系數處于常值范圍內，滿足試驗方法的要求；

在試驗荷載作用下，左右幅各試驗跨控制截面的實測撓度均遠小于L/600，表明結構剛度滿足規范要求；

在試驗荷載作用下，左右幅各最大正負彎矩控制截面箱梁底板的實測應力平均值均小于理論計算值，其應力校驗系數滿足試驗方法的要求，說明其強度滿足設計要求；

在試驗荷載作用下，左右幅各控制截面箱梁腹板和底板實測應力分布雖有不均勻和個別測點應力偏大現象，但經檢查未發現有新增可見裂縫，結構受力總體上處于安全狀態。

本橋左右幅試驗跨各測試斷面的相對殘余變形和應力均在《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》規定的20％以內，表明結構在卸載后的變形和應力能及時回復，處于彈性工作狀態；

從靜載試驗測試結果分析可看出：在試驗荷載下，左右幅橋跨結構實測數據和理論計算值基本吻合，應力和撓度校驗系數基本滿足試驗方法的要求，說明加固后主體結構總體處于安全受力狀態，可以滿足設計荷載下的使用要求。

3.3動力荷載試驗

3.3.1 試驗內容

(1) 行車試驗

試驗時標準車以車速為20 km/h、30km/h、40km/h和50km/h勻速通過橋跨結構，由于在行駛過程中對橋面產生沖擊作用，從而使橋梁結構產生振動。通過動力測試系統測定測試截面處的動撓度時間歷程曲線，以測得在行車條件下的振幅響應、動撓度及沖擊系數。

(2) 剎車試驗

試驗時，讓1輛標準車分別以10km/h和30km/h的速度勻速行駛至測試斷面時實施緊急剎車，使其產生較大的制動力并對橋梁形成一定的沖擊作用，測定跨中截面在車輛緊急剎車作用下的受迫振動響應。

(3) 越障試驗

在橋梁中跨跨中處橋面設置高度為5cm的障礙物，模擬橋面鋪裝的局部不平整或損傷狀態。試驗時，讓1輛載重汽車(重30噸)分別以10km/h和30km/h的速度勻速通過橋跨結構，在跨越障礙時對橋梁形成沖擊作用，激起橋梁較大的豎向振動。測定此時橋梁在橋面不良狀態時車輛荷載作用下的動態響應。

(4) 脈動試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，測得結構的自振頻率和阻尼比等動力學特征。

3.3.2動載試驗結果分析

由模態試驗實測頻率和理論計算值對比可以看出，左右幅主橋實測自振頻率值均大于計算值，表明箱梁整體剛度滿足設計要求；

左幅主橋基頻實測值均為1.53Hz，右幅主橋基頻實測值均為1.50Hz。由于自振頻率是結構的固有特性，反映結構的整體剛度，因此該特征參數可作為今后定期檢查的一個參考指標；

不同速度勻速跑車和剎車作用下，實測沖擊系數比較穩定，在跨越障礙作用下，實測動力增大系數有所增長。由此可看出，越障試驗下的橋梁振動相對較大，說明保持橋面鋪裝的平整性，對降低橋梁結構的沖擊效應和保持良好的工作狀態很重要，建議投入運營后加強橋面鋪裝的檢查與維護；

跑車作用下，左右幅主橋實測最大沖擊系數不大，且車速與沖擊系數并無直接關系，橋面總體平順，無較大顛簸；

不管是在跑車、剎車或越障作用下，沒有發現振幅急劇增長并在相當長的一段距離內保持很大數值，也沒有發現拍振現象，其動力性能在一般預應力混凝土連續箱梁橋允許范圍內。

4.結束語

在試驗荷載作用下，本橋左右幅主橋各控制截面的加載效率系數均滿足《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》在[0.80, 1.05]范圍內的要求；

在試驗荷載作用下，左右幅主橋各控制截面實測撓度平均值均小于理論計算值，撓度校驗系數處于常值范圍內，滿足試驗方法的要求；

在試驗荷載作用下，左右幅主橋各控制截面實測最大撓度值均遠小于L/600，表明結構剛度滿足規范要求；

在試驗荷載作用下，左右幅各最大正負彎矩控制截面箱梁底板的實測應力平均值均小于理論計算值，且箱梁腹板實測應力沿高度方向基本成線性關系，其應力校驗系數滿足試驗方法的要求，說明其強度滿足設計要求；

在試驗荷載作用下，左右幅各控制截面箱梁腹板和底板實測應力分布雖有不均勻和個別測點應力偏大現象，但經檢查未發現有新增可見裂縫，結構受力總體上處于安全狀態；

本橋左右幅主橋各控制斷面的相對殘余變形和應力均在《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》規定的20％以內，表明結構在卸載后的變形和應力能及時回復，處于彈性工作狀態；

由模態試驗基頻和理論計算值對比可以看出，左右幅主橋實測自振頻率值略大于計算值，說明結構的整體剛度較大，滿足設計要求；

動載試驗結果表明，當車輛勻速通過橋面時，左右幅主橋實測最大沖擊系數小于規范規定值，且以不同的車速跑車、剎車或跳車作用下，沒有發現振幅急劇增加并在相當長的一段時間內保持很大數值的現象，橋跨結構的動態性能在一般預應力混凝土連續梁橋的允許范圍內。

綜上所述：在試驗荷載作用下，左右幅主橋各試驗跨實測數據和理論計算值基本吻合，應力和撓度校驗系數以及相對殘余變形（應力）等基本滿足試驗方法的要求，說明加固后主體結構總體處于安全受力狀態，可以滿足設計荷載下的使用要求。同時外觀檢查未發現橋跨結構有明顯缺陷，按《公路橋涵養護規范》（JTG H11－2004）進行適應性評定，加固后左右幅主橋為一類良好狀態。

參考文獻：

[1] JTGH11－2004[S]《公路橋涵養護規范》

[2]JTG/TJ21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》.

[3] JTGD60-2004《公路橋涵設計通用規范》

[4] JTGF80/1-2004《公路工程質量檢驗評定標準》

楊子江. 建筑垃圾對城市環境的影響及解決途徑[J]. 城市問題. 2003, 4: 60-63.

[5]吉林, 兆祥. 江陰大橋動靜載試驗與分析 [期刊論文]. 華東公路2001（01）

[6]徐岳, 王亞君, 萬振江. 預應力混凝土連續梁橋設計.北京人民交通出版社2000

[7]陳青華, 姜華, 施一春.某三跨連續梁橋的荷載試驗研究《安徽建筑》2012年第3期