基于荷載試驗(yàn)的空心板梁橋可靠性評(píng)估

李　瑩,曲　佳

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021 )

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基于荷載試驗(yàn)的空心板梁橋可靠性評(píng)估

李瑩1,曲佳2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021 )

摘要：多布庫(kù)爾河中橋是一座裝配式空心板梁橋，為了較好地掌握該橋的使用性能，對(duì)橋梁進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，并基于Midas Civil有限元分析軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁使用性能做出評(píng)價(jià)，以確保橋梁的安全使用。

關(guān)鍵詞：荷載試驗(yàn)；有限元分析；評(píng)估；橋梁

橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試的一種檢定手段，針對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開展了一定的研究[1-2]，試驗(yàn)的目的、任務(wù)和內(nèi)容通常由實(shí)際的生產(chǎn)需要或科研需要所決定。一般說來，在役橋梁荷載試驗(yàn)的最終目的就是對(duì)橋梁進(jìn)行可靠性評(píng)估。

1基于荷載試驗(yàn)的橋梁可靠性評(píng)估

橋梁結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定是在對(duì)橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)后，結(jié)合理論分析得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平、最大變形、自振特性等強(qiáng)度、剛度指標(biāo)，建立橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作模型，繼而根據(jù)這個(gè)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁實(shí)際承載力和可靠性進(jìn)行評(píng)估的過程。橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)工作流程見圖1。

2橋梁概況

鄂倫春旗古里農(nóng)場(chǎng)多布庫(kù)爾河中橋，橋梁寬度為8.5 m(0.5 m+凈7.0 m+0.5 m)，橋孔布置為4×20 m。本橋上部結(jié)構(gòu)采用20 m裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板簡(jiǎn)支梁，橫橋向8片主梁，主梁預(yù)制梁長(zhǎng)為19.96 m，預(yù)制梁高為0.95 m，主梁混凝土采用C40。下部采用樁柱式基礎(chǔ)。汽車荷載等級(jí)為公路—Ⅱ級(jí)。橋跨及橋墩臺(tái)編號(hào)如圖2所示、標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。本次對(duì)第1孔進(jìn)行檢測(cè)。

圖1　橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)流程

圖2　橋跨及橋墩臺(tái)編號(hào)示意圖/cm

3混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

對(duì)于混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)通常有敲擊法、回彈法、超聲波法和拔出法等。本次檢測(cè)采用回彈法對(duì)梁的混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。針對(duì)本橋?qū)嶋H情況，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，每個(gè)構(gòu)件各10個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)主梁情況依據(jù)規(guī)范JGT/T23-2001《回彈法評(píng)定混凝土抗壓強(qiáng)度 技術(shù)規(guī)范》[3]方法選擇，每個(gè)測(cè)區(qū)20 cm×20 cm，每測(cè)區(qū)16個(gè)測(cè)點(diǎn)。回彈值測(cè)量完畢后，應(yīng)在有代表性的位置上測(cè)量碳化深度值，以對(duì)混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行修正。該橋碳化深度實(shí)測(cè)為0.0 mm，由此計(jì)算出混凝土強(qiáng)度見表1。

表1　回彈強(qiáng)度匯總表

通過混凝土強(qiáng)度測(cè)試，梁體混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4靜載荷試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1內(nèi)力及荷載試驗(yàn)

采用Midas Civil空間有限元程序進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載和試驗(yàn)工況的計(jì)算分析，模型如圖4所示。計(jì)算以跨中最大正彎矩作為控制荷載，按照設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)加載方案設(shè)計(jì)。

圖4　空間計(jì)算模型

本橋?yàn)橄葟埛ㄑb配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁結(jié)構(gòu)，每孔均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和理論分析結(jié)果，選取各跨跨中截面為試驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)各梁的內(nèi)力分析結(jié)果確定2個(gè)荷載工況，分別為工況1∶1～4號(hào)梁最不利荷載工況；工況2∶5～8號(hào)梁最不利荷載工況。工況1與工況2沿橋中心線對(duì)稱布置，按上述荷載工況布載形式如圖5所示。相應(yīng)內(nèi)力及試驗(yàn)效率系數(shù)見表2。

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(征求意見稿)靜力試驗(yàn)荷載效率ηq是某一控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的計(jì)算效應(yīng)與該截面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)控制效應(yīng)的比值。為使荷載試驗(yàn)?zāi)艹浞址从辰Y(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，一般要求采用較高的荷載試驗(yàn)效率，對(duì)于驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)，荷載效率ηq宜介于0.85～1.05之間。對(duì)于鑒定性荷載試驗(yàn)，荷載效率ηq宜介于0.95～1.05之間。本次試驗(yàn)最終所選取的ηq值滿足上述要求，試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)能夠滿足橋梁使用狀態(tài)檢驗(yàn)的要求。

圖5　加載工況圖/cm

工況梁號(hào)控制彎矩/(kN.m)試驗(yàn)彎矩/(kN.m)試驗(yàn)荷載效率η11號(hào)梁4964780.962號(hào)梁3923850.983號(hào)梁4284090.964號(hào)梁4143980.9625號(hào)梁4143980.966號(hào)梁4284090.967號(hào)梁3923850.988號(hào)梁4964780.96

4.2加載車輛

本次荷載試驗(yàn)采用2輛三軸載重汽車加載，如圖6所示，車輛參數(shù)見表3。

圖6　加載卡車圖示

車輛編號(hào)L1/mL2/m軸重/t前軸重中后軸合重總 重1號(hào)4.21.356.629.335.92號(hào)4.21.356.329.235.5

4.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

針對(duì)不同工況，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的目的和使用功能評(píng)定需要，主要測(cè)試預(yù)應(yīng)力空心板梁跨中截面和支點(diǎn)截面處的撓度及跨中截面應(yīng)變。

1)撓度采用0～50 mm機(jī)電百分表采集。撓度測(cè)試每片梁分別在兩側(cè)支點(diǎn)、跨中梁底各布置1塊百分表。

2)應(yīng)力(應(yīng)變)采用JMZX-3001與JMZX-202A振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試及數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變計(jì)布置如圖7所示。

A1、A2為編號(hào)

4.4靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)梁各測(cè)點(diǎn)變位(撓度)與應(yīng)力(應(yīng)變)，依據(jù)測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，扣除支點(diǎn)沉降的影響，計(jì)算跨中截面的實(shí)際撓度，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)變位(撓度)與應(yīng)變計(jì)算，對(duì)加載試驗(yàn)的主要測(cè)點(diǎn)(即控制測(cè)點(diǎn)或加載試驗(yàn)效率最大部位測(cè)點(diǎn))進(jìn)行校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算：

(1)

式中：Se為試驗(yàn)荷載作用下測(cè)量的彈性變位(或應(yīng)變)值；SS為試驗(yàn)荷載作用下的理論計(jì)算變位(或應(yīng)變)值。

相對(duì)殘余變形是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載后彈性工作性能的指標(biāo)，跨中撓度的相對(duì)殘余變形越小，說明結(jié)構(gòu)彈性工作狀況越充分，相對(duì)殘余變形計(jì)算：

(2)

式中：Sp為跨中撓度殘余變形；St為跨中撓度總變形。

依據(jù)以上計(jì)算規(guī)范，要求結(jié)構(gòu)的相對(duì)殘余變形小于20%，校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)小于1，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)滿足要求，校驗(yàn)系數(shù)越小說明結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備越大。

按預(yù)定試驗(yàn)方案，對(duì)各跨跨中截面進(jìn)行最不利加載試驗(yàn)。測(cè)試跨中截面撓度檢測(cè)結(jié)果和比較結(jié)果，見表4(僅列出工況1對(duì)應(yīng)的1號(hào)梁結(jié)果，其他工況和主梁不再贅述)所示。

表4　跨中截面撓度檢測(cè)結(jié)果　mm

從以上數(shù)據(jù)中可以看出，相對(duì)殘余變形滿足要求，校驗(yàn)系數(shù)小于1，滿足設(shè)計(jì)要求。

按預(yù)定試驗(yàn)方案，對(duì)各跨跨中截面進(jìn)行最不利加載試驗(yàn)。測(cè)試跨中截面應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果和比較結(jié)果，見表5(僅列出工況1對(duì)應(yīng)的1號(hào)梁結(jié)果，其他工況和主梁不再贅述)所示。

表5　跨中截面應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見，校驗(yàn)系數(shù)小于1，滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語

通過橋梁的檢測(cè)和荷載試驗(yàn)得到如下結(jié)論：1)該橋外觀質(zhì)量較好；2)主梁混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；3)根據(jù)跨中截面最大彎矩工況實(shí)測(cè)撓度值計(jì)算得到的校驗(yàn)系數(shù)為0.38～0.42，校驗(yàn)系數(shù)小于1，表明主梁剛度滿足設(shè)計(jì)要求；4)根據(jù)跨中截面最大彎矩工況實(shí)測(cè)應(yīng)變值計(jì)算得到的校驗(yàn)系數(shù)為0.59～0.71，校驗(yàn)系數(shù)小于1，表明主梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

靜載試驗(yàn)結(jié)果：工況1、工況2校驗(yàn)系數(shù)小于1，滿足規(guī)范要求，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值關(guān)系曲線線性關(guān)系良好，相對(duì)殘余小于0.2，滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)過程中未見有裂縫出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李瑩，曲佳. 灣灣川藍(lán)島大橋動(dòng)、靜載檢測(cè)試驗(yàn). 長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2014, 15(3): 4-7.

[2] 徐有剛, 馮加權(quán), 吳連軍. 橋梁用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板荷載試驗(yàn)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2009, 9(10):2812-2816.

[3] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. JGJ/T23—2001回彈法評(píng)定混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001.

The reliability assessment of hollow slab bridge based on load test

LI Ying, etc.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Duobuku’er Bridge is an assembled hollow slob girder bridge. In order to better mastering the using feature of this bridge, the bridge strength is tested and the finite-element model of this bridge is built up with Midas Civil finite-element analysis software. Static load test is carried and the data collecting from testing field is evaluated to make the safety use of this bridge.

Key words：load testing; finite-element analysis; assessment; bridge

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0030-04

中圖分類號(hào)：U448.27

作者簡(jiǎn)介：李瑩(1981-)，女(漢)，黑龍江尚志，講師

收稿日期：2015-12-01

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.007

主要研究橋梁評(píng)估、檢測(cè)等。