人行景观桥力学性能试验分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-84-工 程 技 术人行景观桥凭借造型优美、受力合理等优点，广泛服务于文化公园景点。为保障人民生命财产安全，对景观桥的力学性能研究具有重要意义。判定服役和新建桥梁结构承载能力最有效的方法就是桥梁动静载试验1。根据现场工程条件，静载试验采用水箱注水方式进行等效加载，动载试验采用脉动试验方法，通过应变、挠度和振动频率对该桥梁进行评估，验证其安全性与稳定性2，并为桥梁后续运营维护提供数据支持。某人行景观桥上部构造为单跨钢桁架拱，桥面宽 6m，桥面设计人群荷载为 5kN/m2。1 静载试验桥梁静载试验是指通过试验荷载在规定地点下对大桥结构进行加载，测量结构控制断面的应力、挠度等技术参数3。进行静载试验前需要先通过有限元理论分析，并制定试验加载计划，测试后再将理论结果和静载试验结果加以比较，确定桥梁结构的真实运行情况和设计目标能否匹配，从而评价结构的施工效率、运行安全性等。这也是测试桥梁构造安全性最直观、合理的手段。1.1 试验跨测试截面的选取为确保静载试验在具有针对性的情况下达到一定目的，选择试验跨的主要准则如下：为达到测试目的，通常选取在构造中对承载力不利、施工质量不好、结构问题较多或病害比较严重、易于搭建的钢管脚手架以及在设置测点或测试时易于加载的桥梁试验跨结构进行加载测试，以确定大桥的构造特点。根据上述静载试验的试验跨选择方法和桥现场的实际工况条件，本桥选取拱顶截面为测试截面。1.2 测试方法与测点布置根据测试内容的需要，从试验实际情况出发，选择仪器仪表应满足测试精度的要求，要求测试结果的极限相对误差不超过 5。根据实际情况，采用既简便易行、又符合要求的仪器仪表。本次试验采用的测试仪器为 DH3819 静态应变测试系统、DJCK-2裂缝综合测试仪和 GW-566-5W 钢卷尺。主梁控制截面测试指标是混凝土表面应力（应变），在钢桁架表面粘贴标距为 30mm、阻值为 120的应变片。在各测试截面的每片桁片布置 2 个纵向应变测点，共 8 个测点，测点布置如图 1 所示。1.3 试验仪器设备和试验工况为了满足人们对桥梁结构承受能力的需要，试验负荷工况的选择应当严格遵循桥梁结构最不利承载力状态的设计原理。根据 公路桥梁荷载试验规程（JTG/TJ21-012015）的规定并结合试验桥梁结构体系的具体情况来设置加载工况。根据本次工程特点，静载试验主要加载试验工况为拱顶最大正弯矩工况。控制截面在试验荷载作用下的内力计算值与按设计规范要求布置荷载作用下控制截面的内力计算值的比值即是静载试验荷载效率 q。根据测试工况列出各控制截面变位或内力的计算值和对应的静载试验效率系数 q，计算可得设计人群荷载作用下跨中最大弯矩值为 12.7kNm，即 S（1+）（根据城市桥梁检测与评定技术规范（CJJ/T2332015）的条文 6.2.5），在跨中搭建水箱至拱顶水深为 890mm，拟加荷载作用下跨中最大弯矩值为 12.3kNm，即 Sstat，对应的静载试验效率系数 q为 96.8%。根据现场条件，本次静载试验采用水箱进行等效加载。进行实际布载时，应控制水箱面积、水位高度来控制加载效率系数。景观桥拱顶最大正弯矩工况的加载和卸载情况见表 1。在静载试验过程中，经有限元计算的渡口景观桥各工况下的主要控制截面的挠度和应变理论最大值见表 2。1.4 试验程序预加载。正式加载前，在搭建好的水箱中加入并放出水2 次，每次加入跨中水深 0.5m，对桥跨进行预压，消除非弹性变形。预压后，非工作人员退场，待一切工作安排就绪，进行第一次空载读数。人行景观桥力学性能试验分析宋美祺（中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430000）摘 要：人行景观桥安全与人民生命财产安全息息相关，在其服役期间需要掌握其力学性能，评估其状态，以保证桥梁结构安全、可靠。桥梁动静载试验是对现役和新建桥梁结构能力判定的一种试验方法。本文结合某人行景观桥受力特点，采用水箱注水静载试验和脉动试验方法，分析该桥应变、振动频率等参数，获取其实际承载能力和运行使用状况，确保人行桥服役时的安全性与稳定性。对桥梁进行系统评估的同时，也可为该桥后续运营管理提供数据支持与合理方案。关键词：钢桁架拱人行桥；静载试验；动载试验中图分类号：U448文献标志码：A图 1 截面静载应变测点布置示意图测点2测点4测点6测点8测点7测点5测点3测点1中国新技术新产品2024 NO.4（下）-85-工 程 技 术表 2 渡口景观桥静载试验拱顶最大正弯矩工况理论控制数据表测试截面应变测点号应变/1-1截面1-122-63-204-105-206-107-128-6试验程序。测试主梁的恒载（静止）变形初读数测试跨控制截面布载试验测试截面的应变及变形测试。荷载分 4 级加载，2 次卸载。每次加载或卸载的持续时间取决于结构变位达到稳定标准时所需时间。要求在前一荷载阶段内结构变位相对稳定后，才能进入下一个荷载阶段。同一级荷载内，结构在最后 5min 内的变位增量小于前一个5min 内变位增量的 15%，或小于所用量测仪器的最小分辨值，可认为结构变位达到相对稳定。1.5 试验终止条件在静载试验过程中，试验指挥人员应及时掌握各方面情况，对加载进行监控。在试验过程中发生下列 3 种情况时，应立刻停止加载并查找原因，在确保结构和人员安全的情况下才能继续试验。1）控制测点实测应力已达到或超过计算的控制应力值时。2）结构裂缝的长度或缝宽急剧增加，或新裂缝大量出现，或缝宽超过允许值的裂缝大量增多时。3）发生其他影响桥梁承载能力或正常使用的损坏时。1.6 静载试验测试结果1.6.1 应变测试结果渡口景观桥拱顶最大正弯矩应变测试结果见表 3。静载试验中测试截面应变曲线图如图2 所示，应变实测值与由设计规范算出的理论计算值对比如图3 所示。通过静载测试后，该桥的各测点应变校核系数均为0.580.83，相对残余应变最大为0.13，符合规定中 0.2 的要求。表明在各种工况和试验荷载的情况下，本桥控制断面所有实测应力值均小于理论设计上限值，强度满足理论设计规范要求，所有试验结构均超过理论设计的弹性工程要求。1.6.2 静载试验测试结论通过对该桥梁的静载试验结果进行分析，可得以下 3个结论。1）在试验荷载作用下，各工况应变校验系数为0.580.83，1，表明所测结构强度达到设计规范要求。2）在试验荷载作用下，最大残余变位为 0.13，均满足规定中 0.2 的要求，表明在试验荷载的作用下构件仍能维持弹性工作状态。3）通过对该桥的实测挠度值与理论挠度值的横向分布比较可知，实际横向刚度和理论检算基本吻合，表明该桥整体受力性能良好。2 动载试验桥梁构造是多个因素的复杂体系，当构件的物理特征变化后（如开裂、尺寸改变和材料力学特性改变等），不仅静力特征（形状、应力和开裂等）发生变化，同时动力特征也有改变，该改变对现状评价具有一定意义。通过动力负荷测试和系统固有模态参数的实桥测试，可以掌握桥跨构件的动力特性及其各控制单元在使用负荷下的动力特性4，可为大桥后期的运行维护管理等工作提供必需的技术依据和资源。2.1 动载试验内容和方法本次动载试验采用脉动试验方法，试验跨选取与静载表 1 静载试验加载工况分级表测试工况级加载级加载级加载级加载级卸载级卸载拱顶最大正弯矩工况 水箱跨中深度450mm水箱跨中深度600mm水箱跨中深度750mm水箱跨中深度901mm水箱跨中深度450mm水箱跨中深度0mm表 3 拱顶最大正弯矩工况应变测试结果（单位：）工况测点编号级加载级加载级加载级加载级卸载级卸载理论最大变应变校验系数残余应变比（-）/1-1截面1-4-6-6-8-4-1-120.580.132-2-3-4-4-10-60.670.003-5-8-12-16-8-1-200.750.064-3-5-5-8-40-100.800.005-6-11-12-15-90-200.750.006-3-5-5-7-50-100.700.007-3-4-5-10-4-1-120.750.108-1-2-3-5-10-60.830.00注：“+”表示受拉；“-”表示受压。图 2 1-1 截面应变曲线图0-2-4-6-8-10-12-14-16-18一级加载二级加载三级加载四级加载加载工况一级卸载二级卸载12 3 4 5 6 7 8应变（）中国新技术新产品2024 NO.4（下）-86-工 程 技 术试验一致。脉动试验采用高灵敏度的拾振器和放大器测量结构在环境激励下的振动，并进行自谱分析，求解结构自振特性5。在处理数据过程中，通过对拾振器拾取的响应信号进行谱分析，可确定桥梁的自振频率、振型等动力性能参数。本次试验采用的信号分析测试系统示意图如图 4 所示。在脉动试验中，采用竖向拾振器采集竖向振动速度信号，脉动试验拾振器布置在试验拱顶截面位置处。2.2 动载试验结果2.2.1 桥跨结构振型计算采用 MidasCivil 建立该人行桥有限元模型，计算桥跨结构自振特性，其结果如图5所示。该结果为有限元计算振型，为与脉动试验实测结果做比较。采用脉动激励桥梁振动，将计算所得结构的自振频率与有限元结果进行比较。结构自振特性实测结果汇总见表 4。2.2.2 动载试验结论采用脉动激励桥梁振动，通过计算可得结构的自振频率。在理论可识别的范围内，该景观桥跨中竖向一阶频率分别为 5.957Hz，高于理论计算值 4.278Hz；跨中竖向二阶频率分别为 6.543Hz，高于理论计算值 5.741Hz；跨中竖向三阶频率分别为 7.617Hz，高于理论计算值 7.049Hz。以上结果表明所测结构实际刚度大于设计刚度。3 结论该桥梁动、静载试验分析和数据整理分析表明，该桥工作性能良好，承载力也符合设计规范，结构可靠，使用期间可保障人民群众安全。结合现场条件，采用水箱等效加载，能够灵活控制加载效率系数，过程方便且安全、环保。通过桥梁动、静载试验，可检测桥梁的工作状态和使用性能，系统性评估其施工质量、设计质量、承载能力和结构刚度等，并可在桥梁后续使用中，为其运营管理提供数据支持与合理方案表 4 自振特性检测结果汇总表（Hz）工程部位阶次实测值f实测计算值f计算f实测f计算1-1截面一阶5.9574.2781.39二阶6.5435.7411.14三阶7.6177.0491.08参考文献1 王自彬，岳渠德，赵金环，等.动力荷载试验在桥梁检测评估中的应用 J.青岛理工大学学报，2007（1）：14-16，34.2 别宗霖.动静荷载试验在桥梁检测中的应用 J.交通世界，2022（8）：138-139.3 马国峰.永宁黄河公路大桥主桥静载试验研究 J.建材与装饰，2018（41）：257-258.4 刘永平.浅谈公路桥梁荷载试验 J.黑龙江交通科技，2018，41（10）：143-144.5 朱增辉.应变增大系数在车辆荷载对桥梁结构冲击效应评价中的应用 J.交通标准化，2012（10）：94-96.图 4 DH3822 型智能信号采集分析系统示意图图 5 龙船水乡一号渡口景观桥一阶竖向弯曲计算振型（一阶自振频率 f1=4.278Hz）图 3 1-1 截面应变实测值与理论值对比图0-5-10-15-20-2512345678应变（）