橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗分析與研究

危媛丞

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗分析與研究

危媛丞

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

對金砂-汕樟立交橋的荷載試驗結(jié)果進行分析,根據(jù)設(shè)計資料建立三維有限元模型,對相應(yīng)工況進行模擬,通過模型計算值與實測撓度、應(yīng)變與頻率各參數(shù)的對比和分析,了解橋梁結(jié)構(gòu)在各種作用力下的實際受力狀態(tài)和工作狀況,判別已建橋梁符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),滿足使用要求。測試結(jié)果可以為有限元模型修正提供依據(jù),同時也為橋梁使用狀態(tài)評估、健康監(jiān)測提供較可靠的基準(zhǔn)模型。

橋梁結(jié)構(gòu);靜載試驗;動載試驗;有限元分析

隨著中國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展,橋梁工程作為基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要部分得到了迅猛的發(fā)展,其安全性越來越引起人們的關(guān)注。為了確保橋梁的安全性,定期檢查是必要的[1-2]。目前,大型橋梁和結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和重視,成為橋梁研究領(lǐng)域的熱點問題[3-4]。檢測橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,橋梁結(jié)構(gòu)試驗是評定橋梁運營質(zhì)量最直接和最有效的辦法(并為橋梁的安全使用提供可靠依據(jù))。橋梁荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗,靜載試驗可以檢測與橋梁結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的參數(shù)(主要包括撓度、應(yīng)變、裂縫、曲率、傾角等[5]),而動載試驗則對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析(評價橋梁的動力特性[6]),并與結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)進行比較,以便了解結(jié)構(gòu)因累積損傷而造成的改變[7]。試驗的進行應(yīng)遵從中國現(xiàn)行的《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》[8](以下簡稱《試驗方法》)、《公路橋涵設(shè)計規(guī)范(合訂本)》。

1 工程概況

金砂—汕樟立交橋在汕頭市金砂路和汕樟路的交叉口,1990年7月竣工。主橋上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形連續(xù)等厚板,下部采用雙圓柱墩。引橋上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土變截面連續(xù)板,下部采用三圓柱墩和板式橋臺。S—N線的跨徑組合為(6+8 +8+8+6)+(11+14+14+20+ 14+14+11)+(6+8+8+8+6)m, W—E線的跨徑組合和S—N線相同(具體見圖1和圖2),橋面設(shè)計載荷為公路Ⅰ級汽車荷載,載荷人群3.5 kN/ m2[8]。

與其他橋梁相比,本試驗橋梁最大特點是其橋面為一次性澆筑的整體式連續(xù)板梁,整體式板梁橋一般跨徑為10 m左右,本橋最大跨徑達到20 m,為大跨度整體式板梁橋,且該整體式板梁橋外形不規(guī)則,為斜交異型板梁橋。

圖1 金砂-汕樟立交立面圖Fig.1 Elevation of Jinsha-Shanzhang overpass

2 靜載試驗

2.1 靜載的檢測內(nèi)容

該橋梁上部結(jié)構(gòu)為不規(guī)則連續(xù)整體式板梁,采用有限元軟件M IDAS建模時,需用板單元對其進行模擬,在中間支座處,梁與墩節(jié)點采用限制豎向位移的彈性連接約束方式。由于橋梁為連續(xù)板梁橋,因此在對此橋進行模擬計算時需要對最大負彎矩工況進行計算分析;相對于一般整體式板梁橋,該橋跨徑較大,在進行模擬計算時不僅要計算跨中荷載工況,而且要分級計算多個荷載工況的最不利情況,以確定橋梁的安全性。

選取S2#墩和S1#墩之間14 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面A-A截面、S1#墩處的最大負彎矩加載斷面B-B截面、S1#墩和N 1#墩之間20 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面C-C截面進行了靜載試驗,如圖3所示。其檢測內(nèi)容如下。

1)測試2個工況下的各級試驗荷載作用下截面A-A,C-C處的應(yīng)變及撓度變化情況;

2)測試截面B-B處在各級試驗荷載作用下的應(yīng)變變化情況。

圖2 金砂-汕樟立交平面圖Fig.2 Plan of Jinsha-Shanzhang overpass

圖3 靜載試驗加載截面圖Fig.3 Loading surface in static loading test

2.2 試驗加載方案及結(jié)構(gòu)分析計算

公路橋梁靜載試驗采用公路Ⅰ級荷載加載。按照《公路橋涵設(shè)計規(guī)范(合訂本)》,采用有限元軟件M IDAS對該橋的設(shè)計活荷載作用下的內(nèi)力與變形進行計算,所得結(jié)果作為理論值;根據(jù)規(guī)范布載,計算得出設(shè)計彎矩;通過在荷載效率范圍內(nèi)進行不斷的試算,定出車輛布載的位置,計算得出試驗彎矩。

靜載試驗時,采用4輛質(zhì)量約340 kN的加載車輛作為試驗荷載,考慮現(xiàn)場組織標(biāo)準(zhǔn)車隊困難,采用彎矩等效原則。本試驗“工況一”按圖4的試驗載位進行加載,計算在該試驗荷載作用下,S2#墩和S1#墩之間14 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面A-A截面的試驗彎矩和試驗荷載效率;“工況二”按類似于圖5的試驗載位進行加載,車后軸距S1#墩200 cm,計算S1#墩處的最大負彎矩加載斷面B-B截面的試驗彎矩和試驗荷載效率;“工況三”試驗載位與“工況一”類似,兩側(cè)車后軸間距440 cm,則計算S1#墩和N 1#墩之間20 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面C-C截面的試驗彎矩和試驗荷載效率。結(jié)果見表1,試驗荷載效率接近于1,表明滿足《試驗方法》的要求。

表1 各工況下的控制面參數(shù)Tab.1 Parametersof control plane in each wo rking condition

本次試驗加載采用對稱加載,加載分為二級加載,一級加載車輛為①、②,二級加載車輛為①、②、③、④,圖3、圖4中數(shù)據(jù)表示加載車輛編號和距離。

2.3 靜載試驗的測點布置

對于該橋,依據(jù)《試驗方法》要求,沿14 m和20 m共2個試驗橋跨撓度,提高測點17個,應(yīng)變測點15個,具體布置見圖6和圖7。

2.4 靜載試驗結(jié)果分析

1)撓度數(shù)據(jù)及分析

表2篩選出“工況一”和“工況三”最大實測撓度及相應(yīng)的理論撓度值。圖8為“工況一”沿橋不同方向?qū)崪y撓度與理論計算撓度比較圖。

表2 實測撓度與理論撓度對比Tab.2 Comparative statement on experimental and theoretic deflection

從表2及圖8可以看出,沿橋不同方向的實測撓度值均稍小于理論值,實測撓度曲線與理論計算撓度曲線吻合較好,撓度校驗系數(shù)為0.7～1. 0,相對殘余均小于0.2,滿足《試驗方法》條件,說明在試驗荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)較好地處于彈性工作狀態(tài),基本達到設(shè)計要求。

2)應(yīng)變數(shù)據(jù)及分析

圖9為“工況一”14 m跨中在第2級試驗荷載作用下實測應(yīng)變與理論計算應(yīng)變比較圖,各測點實測應(yīng)變與理論值匯于表3。

圖9中顯示的各級荷載作用下的實測應(yīng)變曲線規(guī)律性較明顯,在各級加載作用下,實測應(yīng)變隨荷載增大線性地增加,反映出在試驗荷載作用下,該橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。通過以上數(shù)據(jù)分析可得各個測點在二級試驗荷載作用下應(yīng)變校驗系數(shù)均在區(qū)間[0.7,1.05]內(nèi),表明結(jié)構(gòu)的強度滿足設(shè)計荷載正常使用的要求;相對殘余應(yīng)變小于20%,表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),滿足《試驗方法》條件[7]。

圖9 14 m跨中截面實測應(yīng)變與理論計算應(yīng)變比較圖Fig.9 Comparison of experimental and theo retic strain on the section of 14 m midspan

表3 實測應(yīng)變與理論應(yīng)變對比表Tab.3 Comparative statement on experimental and theo retic strain

3 動載試驗

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性,如固有頻率、阻尼系數(shù)和振型等,只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān),是結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特征;另一方面,橋梁結(jié)構(gòu)在實際動荷載作用下,結(jié)構(gòu)各部位的動力響應(yīng),如振幅、動應(yīng)力、動位移、加速度以及反映結(jié)構(gòu)整體動力作用的沖擊系數(shù)等,不僅反映了橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài),也反映了動力作用對駕駛員和乘客舒適性的影響。結(jié)構(gòu)在運營期間一旦有較大的損傷(如梁體開裂、基礎(chǔ)狀態(tài)惡化等),結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)(如頻率、阻尼等)將會出現(xiàn)較大的變化。

3.1 試驗內(nèi)容

本橋動載試驗擬通過模態(tài)試驗、脈動試驗、行車試驗、跳車試驗和制動試驗測定橋梁的自振特性和作為一個整體結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的受迫振動特性(如強迫振動由移動簡諧力即汽車慣性力引起[10]),以評價大橋的最大動力響應(yīng),分析結(jié)構(gòu)有無較大缺陷。動載試驗是采用一臺質(zhì)量約為35.7 t的汽車,按如下4種工況進行動載試驗:1)在橋面上,汽車分別以20,30和40 km/h的行駛速度“跑車”使橋梁產(chǎn)生受迫振動,測量橋梁的振動頻率和振幅;2)在橋面上,汽車分別以20和30 km/h的行駛速度“跑車”,在跨中緊急剎車使橋梁產(chǎn)生受迫振動,測量橋梁的振動頻率和振幅;3)試驗跨的跨中位置,汽車后輪從約15 cm高的墊木上自由下落對橋梁產(chǎn)生激勵振動,測量橋梁的固有振動頻率和阻尼;4)在無車輛通行時,橋梁受環(huán)境自然激勵,測量橋梁的固有振動頻率。

3.2 動載試驗結(jié)果及分析

橋梁受環(huán)境自然激勵,實測脈動振動信號的典型頻譜分析如圖10所示,并將各種動載試驗實測的數(shù)據(jù)結(jié)果匯成表4。

金砂—汕樟立交第1階特征頻率的理論值為5.820 Hz(如圖11),實測橋梁振動頻率為6.054 Hz,實測的頻率大于理論值,表明實際橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度比設(shè)計要求的整體剛度大;實測阻尼系數(shù)小于0.05,表明結(jié)構(gòu)整體彈性性能良好,基本滿足設(shè)計要求。

圖10 1#測點自然脈動動撓度頻譜圖(f=6.054 Hz)Fig.10 Frequency spectrum on dynamic deflection of measuring point 1 w ith natural oscillation(f=6.054 Hz)

表4 動載試驗結(jié)果匯總表Tab.4 Summary sheet of results in dynamic loading test

圖11 理論計算的第1階豎彎振型圖Fig.11 First order shape of theoretical vertical curved vibration

4 結(jié) 語

綜合靜載和動載試驗檢測結(jié)果及分析可知,測試跨橋梁目前工作狀況正常,結(jié)構(gòu)強度、剛度以及抗裂性能均符合《試驗方法》中所規(guī)定的各項指標(biāo)要求,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),其承載能力滿足設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)的正常使用要求,可投入正常營運。測試結(jié)果可以為有限元模型修正提供依據(jù),同時也為此類大跨度整體式板梁橋使用狀態(tài)評估、健康監(jiān)測提供較可靠的基準(zhǔn)模型。

[1] MORI Y,ELL INGWOOD B R.Maintaining reliability of concrete structures(Ⅰ):Roleof inspection/repai[J].Journalof Structural Engineering,1994,120(3):824-845.

[2] MORI Y,ELL INGWOOD B R.Maitaining reliability of concrete structures(Ⅱ):Op timum inspection/repai[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(3):846-862.

[3] 李兆霞,李愛群,陳鴻天,等.大跨橋梁結(jié)構(gòu)以健康監(jiān)測和狀態(tài)評估為目標(biāo)的有限元模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(Journal of Southeast University(Natural Science Edition)),2003,33(5):562-572.

[4] 毛建偉.廣義模糊綜合安全評價模型及其在鐵路橋梁評價中的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2008,29(3):246-249.

[5] 楊文淵,徐 奔.橋梁維修與加固[M].北京:人民交通出版社,1994.

[6] 高贊明,孫宗光,倪一清.基于振動方法的汲水門大橋損傷檢測研究[J].地震工程與工程振動(Journalof Earthquake Engineering and Engineering Vibration),2001,21(4):117-124.

[7] HOUSNER GW,BERGMAN L A,CAUGHEY T K,et al.Structural control:Past,p resent,and future[J].Journal of Engineering Mechanics,1997,123(9):897-971.

[8] 交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[9] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.公路橋涵設(shè)計規(guī)范(合訂本)[M].北京:人民交通出版社,1989.

[10] 黃立新,鄧子辰,侯秀慧.基于精細積分的橋梁移動荷載識別精度分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2008,29(2):124-136.

Analysis of loading test of bridge structure

WEI Yuan-cheng
(School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

This paper aim s to demonstrate the built bridge still in accordance w ith design standards and satisfying the use requirement through analyzing the resultsof loading teston Jinsha-Shanzhang overpass.According to design information,a theoreticalmodel is built fo r simulating each condition w ith the finite element analysis software M idas-Civil.A comparison is carried out over parameters such as deflection,strain and frequency to detect the actualmechanical behavio r and operating condition of bridge structure under various working forces.The experimental results can p rovide basis and references for the rectification of finite elementmodel and final accep tanceof construction,also for the evaluation of service behavior and healthmonito ring of the bridge.

bridge structure;static loading test;dynamic loading test;finite element analysis

U 446

A

1008-1542(2010)06-0578-06

2010-05-21;責(zé)任編輯:馮 民

危媛丞(1986-),女,江西宜春人,碩士研究生,主要從事橋梁監(jiān)測與地下結(jié)構(gòu)方面的研究。