高平大橋V型墩連續(xù)梁原位荷載試驗(yàn)分析及加固對策

李永河

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006)

1 工程概況

高平大橋?yàn)殇摻罨炷罺型墩連續(xù)梁斜橋，斜交角10°，橋長51 m，跨徑組合8 m+35 m+8 m，橋面總寬32 m，橋面為雙向6車道加雙側(cè)人行道布置。該橋的上部結(jié)構(gòu)由10片矩形縱梁、11片橫隔板及20 cm厚的橋面板共同組成，每個(gè)V型墩由墩底有橫梁相連的10片矩形截面小V型墩組成，每片小V型墩的墩頂直接與對應(yīng)的縱梁相固結(jié)，墩底橫梁下設(shè)有10個(gè)橡膠支座支承在樁頂承臺上。該橋于1997年建成，設(shè)計(jì)荷載:汽—20級，人群荷載3.0 kPa，驗(yàn)算荷載:掛車—100級。該橋結(jié)構(gòu)立面圖見圖1所示。

該橋存在如下主要病害:①各梁跨中部位存在大量裂縫，許多裂縫寬度超過規(guī)范限值;②主跨跨中附近橋面明顯下陷，最大下?lián)现?3 cm，已嚴(yán)重危害橋梁安全。為掌握該橋的使用現(xiàn)狀及承載能力，筆者對該橋進(jìn)行了現(xiàn)場原位荷載試驗(yàn)，并分析病害成因，提出加固對策。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》［1］和《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［2］，以及有關(guān)的設(shè)計(jì)文件資料進(jìn)行的，根據(jù)該橋的受力計(jì)算分析結(jié)果，并結(jié)合試驗(yàn)橋現(xiàn)場試驗(yàn)條件而制訂的。

2.1 設(shè)計(jì)活載效應(yīng)計(jì)算

活載效應(yīng)計(jì)算是運(yùn)用Midas橋梁計(jì)算專用軟件，建立了該橋的空間板和梁組合有限元模型(圖2)，共劃分為1 164個(gè)梁單元和1 600個(gè)板單元。利用該有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)活載內(nèi)力計(jì)算、并進(jìn)行試驗(yàn)反應(yīng)和自振特性的計(jì)算分析。

圖2 空間有限元模型

利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃加載法計(jì)算出該橋在設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算荷載作用下，2#縱梁跨中截面最大正彎矩和1#縱梁V型墩與主跨相交的外側(cè)截面最大負(fù)彎矩。其中2#縱梁的彎矩包絡(luò)圖如圖3所示。鑒于該橋的各縱梁、V型墩均具有相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，故由1#、2#縱梁、V型墩的設(shè)計(jì)內(nèi)力可歸納出單片縱梁主要截面、V型墩與梁相交處4個(gè)根部截面的控制內(nèi)力。

圖3 2#縱梁的彎矩包絡(luò)圖

2.2 加載程序

為了獲得結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位及應(yīng)力關(guān)系的連續(xù)性和防止結(jié)構(gòu)意外損傷，加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后一次卸到零級荷載。加載位置與加載工況的確定主要依據(jù)的原則是:盡可能用最少的加載重車滿足試驗(yàn)荷載效率，同時(shí)應(yīng)考慮簡化加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間，在滿足試驗(yàn)荷載效率的前提下對加載工況進(jìn)行適當(dāng)合并，每一加載工況以某一檢驗(yàn)項(xiàng)目為主，兼顧其他檢驗(yàn)項(xiàng)目。

本橋采用汽車加載，需要4臺重約30 t的重車。工況1為2臺重車，工況2和工況3各為1臺重車(試驗(yàn)荷載載位如圖4所示)，通過三級加載，可使得1#、2#縱梁的跨中截面正彎矩、V型墩與縱梁相交外側(cè)截面負(fù)彎矩、V型墩根部截面負(fù)彎矩達(dá)到加載效率。

2.3 主要測試結(jié)果及分析評定

圖4 試驗(yàn)荷載載位(單位:cm)

圖5 1#縱梁縱截面測點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測撓度曲線

圖6 1#縱梁縱截面測點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的計(jì)算撓度曲線

在各級試驗(yàn)荷載作用下，橋梁實(shí)測變形曲線如圖5，計(jì)算變形曲線如圖6。在試驗(yàn)荷載作用下，主要測點(diǎn)的實(shí)測彈性撓度值與理論計(jì)算值的比值(校驗(yàn)系數(shù))均在0.87～1.05之間，其中在工況3試驗(yàn)荷載作用下，最大彈性撓度實(shí)測值為18.4 mm，對應(yīng)的理論計(jì)算撓度為19.2 mm，兩者的比值為0.96。由圖5、圖6撓度分布圖可知，縱梁兩端測點(diǎn)與理論計(jì)算結(jié)果反號，說明靠近梁端的V型墩斜撐和縱梁的節(jié)點(diǎn)與理想狀態(tài)差異較大。

在各級試驗(yàn)荷載工況的作用下，各截面主要應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測最大彈性應(yīng)變值與計(jì)算值比較如表1所示，在工況3(滿載)試驗(yàn)荷載作用下，跨中(A-A)截面2#縱梁下緣測點(diǎn)的最大彈性應(yīng)變值為355×10－6，而對應(yīng)的理論計(jì)算最大應(yīng)變值為305×10－6，校驗(yàn)系數(shù)為1.16，不能滿足規(guī)范的要求。

表1 工況3(滿載)下應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測值與計(jì)算值比較 ×10－6

3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)主要內(nèi)容是測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性、受迫振動(dòng)特性及振幅、加速度幅值。試驗(yàn)采用一輛重約100 kN的汽車，在橋面上分別進(jìn)行速度20 km/h、40 km/h、60 km/h的跑車及跳車試驗(yàn)，由 DASP動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析。動(dòng)態(tài)測試的5個(gè)測點(diǎn)沿主線梁中線布置。其自振頻率及振型計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算所得的該橋一階振型如圖7所示，實(shí)測加速度時(shí)程曲線及頻譜圖如圖8所示。動(dòng)測數(shù)據(jù)分析表明:該跨橋一階自振頻率為3.809 Hz，而對應(yīng)的理論計(jì)算一階頻率為3.844 Hz，實(shí)測頻率小于理論計(jì)算值，說明該橋?qū)嶋H剛度偏小，振動(dòng)響應(yīng)較大，行車性能較差。

表2 自振頻率及振型計(jì)算結(jié)果

圖7 一階振型——全橋正對稱豎彎

圖8 加速度時(shí)程曲線及頻譜圖

4 結(jié)論及加固建議

1)該橋各縱梁主跨范圍裂縫較多、橋面跨中部位明顯下?lián)稀⒖v梁兩端與支承墊石脫空、橋面人行道板開裂、橋臺護(hù)坡開裂淘空，縱梁混凝土抗壓強(qiáng)度未能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且縱梁混凝土碳化深度值較大，混凝土性能有所退化。靜動(dòng)載試驗(yàn)檢測表明:橋梁結(jié)構(gòu)雖處于線性工作階段，但工作性能較差，部分檢測指標(biāo)不能滿足《設(shè)計(jì)規(guī)范》及《試驗(yàn)方法》的要求。

2)根據(jù)檢測結(jié)果及該橋?qū)嶋H病害情況，在審閱該橋設(shè)計(jì)圖紙后發(fā)現(xiàn)該橋存在主跨和副跨的跨徑劃分不夠合理、縱梁端部支座缺失等先天缺陷，為保證該橋的安全運(yùn)營，建議進(jìn)行加固，具體措施建議如下:①增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束，粘貼鋼板，以解決梁體跨中下?lián)稀⒏纳乒ぷ餍阅堋⒃龃罅后w剛度、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備;②在縱梁端部增設(shè)橡膠支座;③將橋端至V型墩的3 m橋跨范圍用鋼筋混凝土填實(shí)，以改善不合理的主跨和副跨的跨徑劃分現(xiàn)狀，避免跨中梁體進(jìn)一步下?lián)希⑹沽憾酥鲃?dòng)壓在增設(shè)的橡膠支座上。

［1］中華人民共和國交通部.YC4—4/1978 大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［S］.北京:人民交通出版社，1992.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［3］施洲，蒲黔輝，勾紅葉.曲線梁—斜跨拱組合鋼橋結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2009(12):26-30.