黃溪河上跨橋荷載試驗及分析

張雪華,郭 宏

(江西省交通工程質量監督站試驗檢測中心,江西 南昌 330096)

1 工程概況

黃溪河上跨橋起訖樁號K0+013.169～K0+088.169,橋梁全長75 m。橋面主要考慮15 m行車帶,并在兩側各設置3 m人行道,合計橋寬21 m,本橋平面位于直線上;墩臺徑向布置。黃溪河上跨橋上部結構采用2×31 m預應力混凝土現澆箱梁,單箱四室結構。下部結構橋墩采用柱式墩,橋臺使用U型橋臺,橋墩基礎使用樁基礎,橋臺基礎使用承臺+群樁基礎。設計安全等級為一級,設計荷載為城市—A級,人群荷載按規范取值。

為進一步評價黃溪河上跨橋的承載能力是否滿足設計要求,根據橋梁結構形式,制定荷載試驗方案,并通過有限元計算軟件,獲取靜載試驗、動載試驗理論響應值,為正式開展荷載試驗參數控制及試驗結果提供理論對比依據[1-6],也為類似橋梁提供實踐參考。

2 靜載試驗方案設計

2.1 靜載試驗加載原則

(1)靜載試驗加載原則。

各工況下試驗所需加載車輛的數量,按下式所確定的原則等效換算而得。

式中:η為靜力試驗荷載效率;Ss為試驗荷載作用下,某一加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最大計算效應值;S為設計標準活載不計沖擊荷載作用時產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最不利計算效應值;1+μ為設計計算取用的沖擊系數。

靜載試驗加載車參數如表1、2所示,主要采用八臺40 t的三軸載重汽車。在準備階段,需要對車輛的輪距、軸距、重量進行復測,并按照加載順序對車輛進行排序,并將序列號貼在車上,便于后期加載的調度和安排。復測要求前軸、中軸和后軸單軸偏差盡可能控制在0.5 t以內,單車總重量偏差盡可能控制在1 t以內,若偏差超過上述值,則需要按照車輛實際情況重新開展有限元分析計算和布載。

表2 靜載試驗加載用車數量表

(2)靜載試驗加載制度及試驗規則。

①試驗選在穩定的天氣溫度中開展,并做好結構表面溫度記錄,便于后期進行理論驗算時進行溫度修正,使得理論數值更加可靠。

②在進行正式加載試驗前,應該采用兩輛載重加載車在橋跨試驗截面進行不少于20 min持荷時間的預加載。便于檢測設備及結構消除非彈性變形,提前進入工作狀態。預加載完全卸載后,需待結構恢復空載狀態時,再正式開展加載試驗。

③在正式加載試驗前應進行初讀數,并每加、卸載時進行初讀數和變位穩定后的讀數。對結構變位最大的測點需要每隔5 min進行一次讀數,才可判斷結構變形是否達到穩定。

④正式加載試驗按加載工況序號逐一進行,首個工況的分級加載穩定時間不宜少于15 min。結構變位達到穩定標準時才可繼續進入下一階段的加載或卸載。如果同一級荷載內,在兩次相鄰讀數增量小于15%時,則可判定在該荷載下,結構變位已相對穩定。

(3)汽車沖擊系數。

參考《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.2條規定計算沖擊系數。

當f<1.5 Hz時,μ=0.05;

當1.5 Hz

當f>14 Hz時,μ=0.45。

在計算頻率及沖擊系數時,橋面鋪裝及橋面系等荷載以線性荷載均布于梁上。通過計算得到黃溪河上跨橋一階豎向頻率為4.317,相應沖擊系數為0.243;二階豎向頻率為6.266,相應沖擊系數為0.309。

2.2 靜載試驗方案及驗算

(1)靜載試驗測點布設。

根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233—2015),結合橋梁結構形式、受力特點等綜合考慮,優先選擇最大正、負彎矩截面為荷載試驗截面,即選擇黃溪河上跨橋第一跨跨中截面(J1截面)、墩頂附近截面(J2截面)。測試工況及測試內容如表3所示。

表3 黃溪河上跨橋測試項目及試驗內容

其中,應變測點布置在箱梁底面及側面混凝土表面,測點布置時,可根據現場情況,適當調整布置位置,采用應變片或表貼式應變計配合采集系統進行數據采集。撓度測點布置撓度測點采集系統進行數據采集,并用電子水準儀進行觀測。

J1測試截面的應變及撓度測點布置見圖1。

“■”—應變測點,J1截面測點首字母用A表示;“↓”—撓度測點,J1截面撓度測點首字母用C表示。

J1測試截面應變及撓度測點從左到右依次編號分別為A1—A7、C1—C3。

J2測試截面的應變測點布置見圖2,J2測試截面的應變測點從左到右依次編號分別為B1—B7。

“■”—應變測點,J2截面應變測點首字母用B表示。

(2)靜載試驗車輛荷載布置。

①預載。據規范要求,采用4輛40 t重車行駛,依次停靠在測試截面的彎矩最不利位置進行預加載,然后勻速通過橋面,減少橋梁的非彈性變形。

②工況1:J1截面最大正彎矩正載采用8輛40 t重車進行加載,加載車輛布置情況見圖3。

圖3 J1截面最大正彎矩正載滿載平面布置圖(單位:cm)

③工況2:J1截面最大正彎矩偏載采用8輛40 t重車進行加載,加載車輛布置情況見圖4。

圖4 J1截面最大正彎矩偏載滿載平面布置圖(單位:cm)

④工況3:J2截面最大負彎矩正載采用8輛40 t重車進行加載,加載車輛布置情況見圖5。

圖5 J2截面最大負彎矩正載滿載平面布置圖(單位:cm)

⑤工況4:J2截面最大負彎矩偏載采用8輛40 t重車進行加載,加載車輛布置情況見圖6。

圖6 J2截面最大負彎矩偏載滿載平面布置圖(單位:cm)

以上4個工況,均分級加載,具體如表4所示。

表4 J1、J2截面對稱加載分級加載表

由4種工況的車載布置,可以明確地看到各工況下車輛的擺設位置,在調度前應在橋上提前做好標記,便于后期車輛準確定位。

(3)靜載試驗理論值計算

根據本橋結構的受力特點,采用橋梁有限元程序midas Civil 2020 v1.1建立梁格計算模型,模型中共包含367個節點、516個單元。該模型從左至右依次為1#梁、2#梁、3#梁、4#梁、5#梁。

成橋狀態下汽車活載效應的內力計算結果見表5。

表5 黃溪河上跨橋內力理論計算結果 單位:kN

黃溪河上跨橋加載工況、理論計算值、試驗計算值及荷載效率見表6。

表6 黃溪河上跨橋加載試驗計算值及荷載效率表

在試驗汽車荷載作用下,黃溪河上跨橋各工況控制截面應變和撓度試驗計算值見表7至表9。

表7 J1截面試驗加載下控制截面測點應變計算值

表8 J1截面試驗加載下控制截面測點撓度計算值

表9 J2截面試驗加載下控制截面測點應變計算值

通過表5至表9可以得到各截面測點的內力、撓度、應變理論計算值,該值可在后期現場開展靜載試驗時作為理論對比數據,通過實測內力、撓度、應變等數據與上述值比較,可以有效地評判橋梁在荷載作用下的響應情況,判斷橋梁目前的承載能力是否滿足設計要求。

3 動載試驗方案設計

為進一步獲取黃溪河上跨橋的自振特性,或得到在動力荷載作用下的受迫振動特性,開展動力荷載試驗。將第一跨作為試驗跨,選擇第一跨跨中D1截面作為試驗截面進行脈動試驗。

3.1 動載試驗理論振型

對黃溪河上跨橋進行動載試驗。采用有限元軟件對結構的動力特性進行分析,黃溪河上跨橋一階豎向頻率為4.317 Hz;黃溪河上跨橋二階豎向頻率為6.266 Hz;黃溪河上跨橋三階豎向頻率為8.854 Hz。

3.2 動載試驗測點布置

根據建立模型計算的理論振型,對黃溪河上跨橋進行測試截面及測點布置,根據現場情況選取黃溪河上跨橋跨中截面作為測試截面。

根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233—2015),動試驗工況如表10所示。

表10 黃溪河小橋動載試驗工況一覽表

根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233—2015),在試驗截面位置設置拾振器。

4 試驗交通組織及維護措施

(1)加載車輛自重較大,加載車應嚴格按照調度員指揮,不得集中堆放,盡可能靠近試驗跨位置,否則易引起橋梁結構局部的損傷。

(2)應嚴格按照規范要求,在橋梁兩側150 m外設置道路導流指示牌、占道公示牌、設置錐桶等,避免社會車輛進入,影響試驗結果。

5 結 語

本次對黃溪河上跨橋進行荷載試驗,根據黃溪河上跨橋結構形式,確定荷載試驗截面和方案。并采用有限元分析軟件midas Civil軟件進行模擬驗算,獲取橋梁結構在試驗荷載作用下測試截面的撓度及應變理論響應值。為后期正式試驗獲得的脈動試驗、靜載試驗結果數據提供理論支撐。同時根據現場可操作情況,制定可行的交通組織方案,可為類似工程的荷載試驗方案編制提供參考依據。