深圳市松崗高架橋荷載試驗與評價

田 野 周葉飛

隨著公路交通事業發展,交通量增加,車載重增大,橋梁負荷日趨加重。因早年修建橋梁設計荷載標準偏低,普遍存在承載力不足問題;隨著時間推移,橋梁本身會出現各種病害,影響其承載能力和使用壽命。因此,采用適當的加固措施,提高橋梁的承載及通行能力,延長橋梁使用壽命,以適應現代化交通運輸的需要。通過對橋梁的全面檢測,對舊橋使用現狀、承載能力做出正確的評價,根據實際情況為舊橋選擇合理的加固形式[1]。根據松崗高架橋實際情況,選擇粘貼鋼板法加固主體結構。粘貼鋼板(筋)加固法是采用環氧樹脂系列粘結劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位,再用螺栓錨固,使之與原結構物形成整體共同受力,提高其剛度,改善原結構的鋼筋及混凝土應力狀態,限制裂縫發展,達到加固補強,提高橋梁承載力的目的。

1 工程概況

松崗高架橋位于深圳市G107國道,為多跨預應力混凝土連續箱梁橋,全長 657.15 m,由3聯連續梁和 3跨簡支梁組成。橋跨布置為(20 m+3×24 m+20 m)+24 m+24 m+24 m+(20 m+9×24 m+20 m)+(20 m+7×24 m+20 m),橋面凈寬 2×8.25 m,橋下凈高5 m,設計荷載:汽車—超20級,掛車—120級。經外觀檢查發現其上部主要結構已經出現裂縫等病害現象,被定為三類橋,需進行加固大修[2]。根據該橋實際情況,將主要測試項目安排在南幅進行。

2 承載能力驗算

分析中將加固鋼板換算為鋼筋直接代入截面,即將加固新增鋼板按等面積換算為鋼筋。粘貼鋼板后,增加了鋼材換算面積,導致截面中心軸下降,抗彎慣性矩提高約10%,增強了結構剛度。經分析得出主梁彎矩及抗力包絡圖,可知在承載能力組合下結構梁底的承載能力不足,梁頂安全儲備略顯不足。加固后承載能力較加固前有較大提高,完全滿足結構承載能力的要求,通過計算分析說明采用粘貼法可以達到設計期望的加固效果。

3 靜載試驗

3.1 試驗方案

根據承載能力驗算及實際情況,選取南幅第三聯作為試驗跨,選取4個測試面,如圖1所示,A—邊跨截面,B—支點截面,C,D—中跨跨中截面;應變測點位置各截面相同,僅跨中截面有位移測點。

3.2 加載工況

加載車輛重量4臺各34 t,加載位置見圖2,限于篇幅,僅列出C,D截面加載效率(見表1)。

表1 C,D截面荷載效率

4 有限元計算分析及實測對比

4.1 有限元建模

采用ABAQUS對松崗高架橋加固后的效果進行有限元分析,建模過程的簡化處理:1)據多跨連續梁在等跨情況下各跨之間內力變化不大的特點,考慮模型本身大小,僅取單跨箱梁進行有限元分析,兩端的邊界條件按固結來考慮[3]。2)模型按混凝土和鋼板兩種材料分別選取單元,混凝土彈性模量E=3.25×1010N/m2,泊松比 v=0.3;鋼板彈性模量 E=2.06×1011N/m2,厚度t=0.01 m。3)基本假定:混凝土、鋼板的變形符合平截面假定;鋼板與被粘結混凝土梁之間無相對滑移,變形協調,即忽略粘結膠的影響。

有限元進行分級加載,得到不同工況下的梁底應力及豎向變形。

4.2 應變分析

表2為截面下緣部分受拉應變測點的實測應變與理論值(限于篇幅僅列出跨中三個截面)。

截面下緣實測應變與荷載效率之間線性相關性良好,說明在各級試驗荷載作用下應變與外荷載之間有良好的線性關系。

從表2可知,最不利加載情況下,有限元計算結果與實測數據相差11%,基本一致,表明所建有限元模型正確可靠;加固后實測應變值遠遠小于加固前的值,說明加固效果良好,應變校驗系數在0.78～1.09之間,略超出《評定規程》[4]中預應力混凝土橋應變校驗系數在0.5～0.9之間的要求,但應變值遠小于加固前實測值,表明加固效果良好。

表2 分級荷載作用下的應變值 με

4.3 撓度分析

跨中梁底左右兩側各設一個撓度測點,表3為各級試驗荷載作用下的實測撓度。

表3 各截面的實測撓度 mm

從表3可知,最不利加載情況下,有限元計算結果與實測數據相差8%,基本吻合,加固后撓度值明顯減少,說明剛度有明顯增加。各測點撓度校驗系數在0.76～1.08之間,略超出《評定規程》中預應力混凝土橋撓度校驗系數在0.6～1.0之間的要求。截面主要測點撓度的實測殘余較小,相對殘余滿足試驗規范要求,說明結構處于整體彈性工作狀態。

5 動載試驗

動載測試內容見表4,試驗載重車為30 t,行車速度10km/h;跳車速度10km/h,三角木高10cm;單車跨中制動。自振頻率和阻尼采用脈動法進行測試。

表4 動載試驗項目一覽表

對9跨一聯的邊跨和中跨的動載測試,得到結構動力參數,加固前后參數見表5。

表5 加固前后的動力性能參數對比表

6 結論與建議

根據動靜載試驗可知:1)加固后,箱梁測試截面實測撓度和應變均小于相應的理論計算值,截面變形均衡,受力整體性良好。實測殘余撓度和撓度變化、實測殘余應變和應變變化均反映該橋在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態。2)動載 結果表明,橋梁動力性能良好,實測基頻大于理論計算值,沖擊系數小于理論計算值,該橋整體剛度滿足要求。3)采用粘貼鋼板法進行加固,方法合理,技術可行,效果明顯。該工程的成功,有效地延長了橋梁使用壽命,具有一定社會效益和經濟效益,可供類似工程借鑒和參考。綜上所述,加固的松崗高架橋工作狀態良好,承載力、剛度滿足要求,滿足公路Ⅰ級的荷載等級要求。

[1] 歐建林,鄺雁容.淺談混凝土橋梁的加固改造方法[J].建材與裝飾,2008(6):312-313.

[2] JTG H11-2004,公路橋涵養護規范[S].

[3] 周葉飛,董創文.江東大橋頂推鋼箱梁局部受力分析[J].中外公路,2010(1):126-130.

[4] 公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[Z].2003.

[5] 李洪琴,馬麗霞,管明福.淺談橋梁靜動載試驗檢測方法[J].山西建筑,2009,35(22):316-317.