云南黑沖溝大橋動力學模型試驗方案研究

鐘運秋

【摘要】目前國內大跨連續剛構橋普遍存在的開裂損等損壞，影響結構工作性能，本文以大跨徑連續剛構橋為對象，簡單的介紹了進行研究的必要性，并對實驗方法、方式等進行了研究。為今后類似研究建立模型提供參考。

【關鍵字】連續剛構；裂縫；大跨徑

1、研究背景和必要性

近年來許多大跨度的連續剛構（連續梁）橋在運營過程中出現了較多的工程病害，嚴重影響到了結構的安全。病害主要表現在撓度和裂縫2個方面。由于標準的不同，裂縫的分類方法有多種。箱梁裂縫從發生的部位可以分為頂板裂縫、腹板裂縫、底板裂縫、橫隔板裂縫；從裂縫的力學特性可以分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫、局部應力引起的裂縫；從裂縫產生的外因可以分為荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、基礎變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫等。在這些裂縫類型中，以可能會影響結構正常使用或者結構耐久性的箱梁腹板斜裂縫破壞性最大，是國內外橋梁專家學者重點研究的裂縫類型。

這些腹板斜裂縫裂縫集中在25°～45°之間，主要出現在連續箱梁橋的邊孔現澆段、L/4 截面附近或者梁腹厚度變化區段。例如：河南省三門峽黃河公路大橋，該橋建成于 1993 年，僅僅運營了短短的七年，主橋（連續剛構）箱梁很多梁段的腹板就出現了斜裂縫；風陵渡黃河公路大橋，在 1994 年 11 月竣工通車幾年后，主橋（連續梁）箱梁梁體在一些部位產生了不同程度的腹板斜裂縫；黃石長江大橋（連續剛構）于 1995 年竣工，使用一年后被發現腹板出現斜裂縫。東明黃河大橋預應力混凝土箱梁在 L/4 截面附近梁腹板表面出現的與頂板大致呈 20°～60°夾角的斜向裂縫，大多由頂板與腹板交界處開始，向下延伸至 1/3～1/2 梁高處，方向基本上與主拉應力方向垂直。這些斜裂縫不僅會削弱橋梁結構的強度和剛度，還會加速鋼筋銹蝕。而鋼筋銹蝕則會引起體積膨脹，從而使混凝土開裂，破壞混凝土的受力性能，降低材料的耐久性能和橋梁的承載能力，影響橋梁的美觀及使用壽命，如果嚴重時很可能引起交通事故。同時這種斜裂縫的普遍性使得工程界對箱梁橋的應用開始產生不安，甚至懷疑，直接影響其在公路工程建設中的進一步推廣，因而對于箱梁斜裂縫的檢測識別與加固研究也更加迫切。

2、研究目的

進行云南黑沖溝特大橋動力學模型試驗研究，其主要目的有：

（1）通過對黑沖溝特大橋模型自振特性的測定，為“大跨徑連續剛構橋箱梁腹板斜裂縫動力學識別研究”提供實測數據資料；

（2）分析和比較模型在腹板擬定部位出現裂縫的情況下自振特性與無裂縫情況下的自振特性，驗證通過動力學手段識別橋梁損傷的可行性；

（3）驗證計算模型和計算結果的可靠性。

3、動力學試驗模型設計

根據云南黑沖溝特大橋（左幅）全橋作為原型。

原型基本構造參數為：

主橋上部結構為98+180+98m三跨預應力混凝土連續剛構，橋梁全長397m。箱梁采用豎直腹板的單箱單室結構，箱梁頂板寬度為12.5米，箱體寬度為6.5米。兩端及中跨跨中梁高3.2米，墩頂根部梁高10.8米，其余主梁梁高變化采用1.8次拋物線。箱梁合攏段底板厚度32厘米，墩頂底板根部厚度120厘米，厚度變化采用1.8次拋物線變化。箱梁腹板厚度采用50、60厘米，僅在主梁零號塊為90厘米。箱梁采用50號混凝土。主梁懸臂澆注梁段劃分長度依次為13.0米0號塊+6x3.5米+7x4.5米+6x5.0米，合攏段采用2.0米。邊跨現澆段長7.0米，上部構造為全預應力混凝土

主墩采用空心薄壁墩，橋墩的橫向寬度與橋同寬為6.5米。每個墩下均有一尺寸為14*14*9.45米的承臺，主橋支座采用GPZ4500型盆式橡膠活動支座（單向及雙向）。

4、模型相似常數的確定

根據前述選取的試驗原型結構尺寸和質量分布，首先要確定模型的相似常數。本報告中，相似常數的定義為：

相似常數=模型物理量/原型物理量

通常，在設計結構動力試驗模型時，需要先確定3個基本物理量：長度、質量和時間的獨立相似常數作為基本相似比，而其余物理量的相似比則可以根據3個基本量相似常數通過量綱分析導出。但在實際中，模型相似比設計會受到可用材料、試驗設備條件、試驗目的等多方面的限制，在確定了基本量相似常數后，并不能保證所有的導出相似常數都能得到滿足。因此實踐中往往先確定某些導出相似常數，再通過這些相似常數得到模型的基本量相似常數，最后得到模型其余的導出相似常數。

5、試驗方案

在橋面無交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、附近的車輛、機器等振動或地脈動和水流等隨機荷載激勵而引起的橋跨結構微幅振動響應。結構的脈動有一個重要特性，它能明顯地反映出結構的固有頻率振動特性（自振頻率、陣型和臨界阻尼比）。故我們在模型附近，采用重錘敲擊的方式，給模型提供激勵，來模擬完成脈動試驗。

（1）無裂縫行車試驗

主要用于測定在橋梁完好無裂縫情況下在行車荷載作用下，利用行車時的余振響應分析結構固有振動特征。

在此處模型試驗中，行車荷載用模型小車來模擬完成，考慮到由于加速度計量程的問題，導致過輕的模型小車可能無法獲得比較好的信號，小車的質量會根據實際試測以后進行調整，得到最基本的小車質量M，以V1、V2 、V3速度駛過模型橋跨，小車速度通過高度H控制，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的動力反應。為了防止小車由于梁頂不平整導致的脫離模型橋，在模型橋面上用云石膠貼上3cm高有機玻璃條作為護欄，有機玻璃條分為0.5m一段貼上去，段與段之間不相連。

（2）有裂縫行車試驗

主要模擬測定橋跨在有腹板裂縫時，運行車輛荷載作用下結構固有頻率特征。

此處也采用與無裂縫情況下相同的模型小車，行車速度控制方法和控制高度均與其一致。

通過相關查閱文獻以及一些實橋資料，得知連續剛構橋箱梁腹板斜裂縫主要出現在L/4 截面附近或者梁腹厚度變化區段，角度在25°～45°之間，故試驗時，我們主要這些位置進行斜裂縫模擬，其中本實驗模型的箱梁腹板厚度變化區段位于L/4 截面左側約37cm處。

裂縫擬分3個階段：第一個階段，僅僅主跨1/4處出現斜裂縫，狀況類型編號A；第二階段，增加裂縫位置，在距離L/4 截面左側約37cm處增加數條斜裂縫，狀況類型編號B；第三階段，繼續增加裂縫位置，在L/4截面兩側約5cm增加數條斜裂縫，狀況類型編號C。（注：裂縫的布置關于橋跨1/2線對稱，例如第一階段中L/4、3L/4截面均要布置相應的對稱裂縫。）

裂縫的模擬方法，使用集中力加載的方法來獲得，先初步定于在主跨L/4對稱加載，加載方法直接用重物加載，重物采用實驗室現場的混凝土試件塊，每一塊的質量都便于稱量，加載的時候可以很方便的控制。此處集中力的大小以及位置會通過結構力學計算分析，來得到比較理想的加載力和位置。

關于裂縫的狀況類型的分類，主要指標是兩個：主裂縫的長寬和單位面積裂縫數量，根據以上兩個指標通過集中力加載的方法得到從輕微到嚴重的A、B、C3個實驗裂縫工況。

參考文獻

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