雅鲁河大桥静动载试验及分析

雅鲁河大桥静动载试验及分析

葛贝德

(哈尔滨职业技术学院，黑龙江哈尔滨150081)

摘要：对黑龙江省碾景公路雅鲁河大桥进行静载试验和动载试验，根据主梁静载试验、墩台静载试验以及桥梁动载试验测试数据，对桥梁结构的承载能力和刚度作出评估，测试结果表明该桥的强度储备较弱，甚至出现承载力不足的情况，并据此对该桥的后期维修加固提出了可行的建议，可为同类型的工程提供参考。

关键词：旧桥检测；荷载试验；结构评定

作者简介：葛贝德，硕士，讲师，哈尔滨职业技术学院建筑工程学院。研究方向：结构设计理论与检测加固。

文章编号：1672-6758(2015)07-0046-5

中图分类号：U448.21

文献标识码：A

Abstract：Static and dynamic load tests of the Yalu River Bridge in Heilongjiang are carried out. According to the static load test results of the girder and pier, and the bridge dynamic load test , we made a evaluation of the bridge structure bearing capacity and stiffness . The results show that the strength of the bridge is weak, and even the bearing capacity is insufficient. Based on those tests, some suggestions for the later maintenance and reinforcement of the bridge are proposed, which can provide some reference for the same type of bridge project.

1工程概况

黑龙江省齐齐哈尔市碾景公路雅鲁河大桥上部结构为17×20米钢筋混凝土T梁，桥梁全长344米。桥面净宽为7m+2×1m人行道，设计荷载为汽车—15级，挂车—80级，为1982年9月12日竣工的旧桥。下部结构为柱式墩。全桥外观见图1。

通过对桥梁上部结构和墩台进行静动荷载试验，以确定该桥能否继续使用，确定桥梁的技术状况等级，分析和评价既存缺陷和损伤对桥梁质量和使用承载能力的影响，为确定结构维修、加固或更换的优先顺序，为桥梁加固和改善桥梁的管养档案提供可靠的技术依据。

图1　全桥外观图

2试验方案

根据该桥实际情况，综合考虑各方面因素，选取雅鲁河桥第1、5、17孔，对这三孔进行动、静载试验。

2.1试验内容。

(1)外观检查及技术评定。

包括桥梁结构几何形态参数的测定、桥梁结构构件表观缺陷状况的检查，并对桥梁外观使用状况进行现场评定。以及对桥梁结构构件的材质强度检测，包括混凝土强度、碳化深度、钢筋锈蚀、保护层厚度等。[1]

(2)静载试验内容。

在保证荷载试验效率η在0.95~1.05的条件下，按最不利位置布载，先后采用2辆载重汽车作为试验荷载，共用4台30t载重车模拟汽-15级荷载。每次加载稳定一段时间后，采集各测点数据。[2,3]

静载试验内容主要包括[4]：①跨中断面挠度测试；②L/4断面挠度测试；③跨中断面混凝土应变测试；④L/4断面混凝土应变测试；⑤支点断面混凝土应变测试；⑥动载试验内容。

(3)动载实验内容。

动载试验包括：①结构振动的对数衰减率δ与阻尼比ζ；②结构振型的测定，结构的固有频率f0；③汽车不同运行速度时的冲击系数μ。[5]

2.2测点布置与测试设备。

本桥上部结构型式为钢筋混凝土T梁，受力简单明确，计算跨径为19.5m。选取支点、跨中、1/4L断面为测试截面，如图所示。

图2　雅鲁河大桥静动载试验测试断面位置图

该桥采用了最不利受力状态进行了分级加载原则进行加载，采用对主跨跨中进行汽-15级汽车荷载加载。

B-B断面、C-C断面混凝土应变测点采用应变计测定，第1、5、17孔主梁梁底应变测点布置如图3所示。

图3　跨中、1/4L断面应变测点布置图

B-B断面、C-C断面挠度测试采用水准仪、钢丝挠度计，第1、5、17孔主梁梁底挠度测点布置如图4所示。

图4　跨中断面挠度测点布置图

根据该桥实际情况，按公路-II级荷载要求对0号、1号~16号墩，和17号台分别进行静压试验，测试其竖向沉降值，沉降测量采用精密水准仪，精度0.1mm。测试截面选定0号台、1号~16号墩，17号台为测试断面进行测试，如图5所示。

图5　测试截面

该桥桥台及桥墩竖向沉降分别采用钢丝挠度计进行测量，墩台测点布置如图6所示。

图6　A-A断面挠度测点布置图

2.3加载工况。

(1)静力试验荷载加载工况。

荷载布置时遵照现行桥规《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)的规定，纵向根据影响线最不利加载原则，试验荷载工况选择主要反映桥梁结构的最不利受力状态进行加载。

雅鲁河桥桥梁试验工况：

工况1：横向两辆车偏载布置，纵向使跨中弯矩最大；如图7所示。工况2：横向两辆车中载布置，纵向使跨中弯矩最大；如图8所示。工况3：横向两辆车偏载布置，纵向使1/4截面弯矩最大；如图9所示。工况4：横向两辆车中载布置，纵向使1/4截面弯矩最大；如图10所示。工况5：横向两辆车偏载布置，纵向使距支座h/2处截面剪力最大；如图11所示。工况6：横向两辆车中载布置，纵向使距支座h/2处截面剪力最大；如图12所示。

跨中断面(A-A断面)试验偏载工况及测点布置：

图7　跨中纵向偏载加载示意图(工况1、2)(单位:m)

图8　L/4纵向偏载加载示意图(工况3、4)(单位:m)

图9　跨中横向偏载加载示意图(工况1、2、3)(单位:m)

图10　跨中横向中载加载示意图(工况2、4、6)(单位:m)

图11　剪力效应纵向示意图(工况5、6)(单位:m)

支点断面(A-A断面)最大剪力加载方案，试验加载及测点布置见图12。

图12　支点附近截面剪应力测试图

对于墩台静载试验，采用竖向荷载最大为加载原则，为了满足鉴定桥梁承载能力的要求，试验荷载工况选择主要反映桥台、桥墩的最不利受力状态进行加载。试验工况7~24分别为对0号台、1号~16号墩、17号台进行横向4辆车偏心布置，分别另其竖向反力最大。

(2)动力试验荷载工况。

动载试验采用1辆390kN试验汽车为动力试验荷载。模态测试采用DH-5937桥梁动态数据采集系统。测试工况包括：(1)结构振动的对数衰减率δ与阻尼比ζ；(2)结构振型的测定，结构的固有频率f0；(3)汽车不同运行速度时的冲击系数μ，试验汽车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h(受现场条件、交通管制限制)的速度匀速过桥进行激振测试冲击系数。

3试验结果及分析

3.1 静载试验结果。

(1)挠度测量及校验系数。

(a)偏载工况

(b)中载工况 图13　跨中荷载作用下各孔主梁挠度值(单位：0.1mm)

(a)偏载作用

(b)中载作用 图14　L/4处荷载作用下各孔主梁挠度值(单位：0.1mm)

跨中偏载挠度校验系数最大值1.83，卸载后，相对残余变形最大为7.18%；跨中中载挠度校验系数最大值1.26，卸载后，相对残余变形最大为5.97%；L/4偏载挠度校验系数最大值1.22，卸载后，相对残余变形最大为11.33%；跨中偏载挠度校验系数最大值1.26，卸载后，相对残余变形最大为9.74%。而《规范》要求校验系数小于1，相对残余变形小于20%，这说明该桥跨中、L/4截面在试验过程中校验系数不满足规范要求，跨中截面刚度不能满足汽-15级荷载使用要求。

(2)应变测量及校验系数。

(a)上缘应变值

(b)下缘应变值 图15　跨中偏载作用下测点截面应变值(单位με)

(a)上缘应变值

(a)上缘应变值

(b)下缘应变值 图17　L/4处偏载作用下测点截面应变值(单位με)

(a)上缘应变值

(b)下缘应变值 图18　L/4处中载作用下测点上缘应变值(单位με)

在试验荷载作用下，跨中偏载上缘应变校验系数最大为0.5，卸载后，相对残余变形最大为10.64%；跨中偏载下缘应变校验系数最大为1.36，卸载后，相对残余变形最大为2.20%；跨中中载上缘应变校验系数最大为0.55，卸载后，相对残余变形最大为11.63%；跨中中载下缘应变校验系数最大为1.03，卸载后，相对残余变形最大为1.55%；L/4偏载上缘应变校验系数最大为0.35，卸载后，相对残余变形最大为10%；L/4偏载下缘应变校验系数最大为0.97，卸载后，相对残余变形最大为5.87%；L/4中载上缘应变校验系数最大为0.28，卸载后，相对残余变形最大为0%；L/4中载下缘应变校验系数最大为1.27，卸载后，相对残余变形最大为12.89%。这说明该桥跨中、L/4截面在试验过程中应变校验系数不满足规范要求，跨中截面强度不能满足汽-15荷载使用要求。

(3)支点最大剪力测量及校验系数。

表1　偏载作用下支点附近断面应变值(单位με)

表2　中载作用下支点附近断面应变值(单位με)

从上表可以得出，偏载作用下支点剪力校验系数最大为1.16，中载作用下支点剪力校验系数最大为0.95。《规范》要求校验系数小于1；这说明该桥第1孔T梁支点处斜截面抗剪强度不满足汽-15级荷载使用要求。

(4)下部结构静载试验结果分析。

两孔双列偏载时，12号墩左侧的沉降最大，为0.5mm，小于规范允许值，且卸载竖向后沉降基本可恢复，说明墩台在试验荷载作用下处于弹性工作状态，因此桥墩、桥台的地基竖向承载力满足公路-Ⅱ级荷载标准使用要求。

(5)动载实验结果与分析。

实测阻尼比的大小反映了桥梁结构耗散外部能量输入的能力，阻尼比大，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力强，振动衰减得快；阻尼比小，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力差，振动衰减得慢。但阻尼比过大则说明桥梁结构可能存在开裂或支座工作状况不正常等现象。从测试结果可看出，雅鲁河桥阻尼比分别为0.0317、0.0825、0.1616、0.1210，说明该桥有动力特性一般。

比较桥梁结构频率的理论计算值与实测值，如果实测值大于理论计算值，说明桥梁结构的实际刚度较大，反之则说明桥梁结构的刚度偏小，可能存在开裂或者其他不正常现象。通过上表对实测频率值和理论频率值的比较可知实测频率值比上理论频率值分别为0.756、0.756、0.822、0.855，这说明该桥动刚度评定标度为4，为差的状况。

根据动力冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车性能，实测最大冲击系数1.145小于理论值1.300，这说明该桥梁结构的行车性能较好。

4结论

通过对雅鲁河大桥静动载试验，得到以下结论：

(1)通过挠度测试可知，在偏载和中载工况下，跨中、L/4跨的挠度校验系数均大于1，相对残余变形均大于5%，其中L/4偏载工况时出现残余变形最大值11.33%。这说明该桥跨中、L/4截面在试验过程中校验系数不满足规范要求，跨中截面刚度不能满足汽-15级荷载使用要求。

(2)通过应变测试可知，跨中偏载与中载工况下缘应变校验系数>1，但有较低的残余变形(不超过2.2%)；上缘应变校验系数在0.5左右，而残余变形超过10%。L/4偏载和中载工况下缘应变校验系数在1左右，相对残余变形较小，上缘应变校验系数低于0.35，相对残余变形则超过10%，这说明该桥跨中、L/4截面在试验过程中应变校验系数不满足规范要求，跨中截面强度不能满足汽-15荷载使用要求。

(3)经过动载试验动力参数测定，该桥动刚度差，桥面行车性能较好。

(4)因该桥原设计标准较低，经多年使用，破损情况较严重，无法满足现行通行要求。需要对T梁结构采取增大截面法进行加固处理，将T梁改为箱型结构，以提高上部结构的承载力；对T梁裂缝<0.15mm可采用水泥渗透结晶型防水材料(赛柏斯)进行封闭，对裂缝>0.15mm，采取灌注裂缝专用胶进行封闭。

参考文献

[1]中华人民共和国交通部.JTG60-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵计规范[S].

[2]马超,孙韦. 评述桥梁荷载试验的步骤及要点[J]. 公路交通科技(应用技术版)，2013(07)：31-33.

[3]王凌波,贺拴海,蒋培文,王钧利. 大跨径桥梁荷载试验加载方案算法设计[J]. 武汉理工大学学报，2011(02)：77-81.

[4]王静. 连续钢构桥成桥荷载试验实施方案研究[J]. 中国安全生产科学技术，2011(08)：93-97.

[5]尹彬彬,李金涛. 荷载试验检测技术在桥梁技术状态评估中的应用[J]. 中国建材科技，2011(05)：10-14.

Static and Dynamic Load Test and Analysis of the Yalu River Bridge

Ge Beide

(Harbin Vocational and Technical College, Harbin, Heilongjiang 150081, China)

Key words：old bridge detection; load test; structure evaluation

Class No.:U448.21Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)