橋梁檢測(cè)中的動(dòng)靜載試驗(yàn)研究

葉健

（東莞市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,廣東 東莞 523000）

橋梁檢測(cè)中的動(dòng)靜載試驗(yàn)研究

葉健

（東莞市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,廣東 東莞 523000）

動(dòng)靜載試驗(yàn)是一種橋梁實(shí)際狀況檢驗(yàn)的重要方法,可科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。結(jié)合某特大橋檢測(cè)的案例,從試驗(yàn)對(duì)象、動(dòng)靜載試驗(yàn)參數(shù)等方面,深入對(duì)動(dòng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行分析,介紹動(dòng)靜載試驗(yàn)內(nèi)容,利用橋梁專業(yè)軟件midas Civil建立有限元模型,進(jìn)行靜力分析,通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量值和理論值做比較,分析橋梁的承載力和對(duì)橋梁綜合評(píng)定。

橋梁檢測(cè)；動(dòng)靜載試驗(yàn)；有限元分析

0 引言

由于近年來(lái)交通量急劇增加,尤其是過(guò)往超載、超載車輛增加,使很多橋梁在使用期限內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的病害,當(dāng)然還有些因?yàn)槭┕す芾硭健⑹┕し椒ú划?dāng),趕工期,使用劣質(zhì)材料等原因而出現(xiàn)早期病害的橋梁,需要做承載力鑒定以確保其安全運(yùn)營(yíng)的情況。橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)建成橋梁進(jìn)行承載力鑒定,靜載試驗(yàn)?zāi)軌蚩疾鞓蛄旱膶?shí)際工作狀態(tài)和承載能力,重點(diǎn)分析靜載試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì),為橋梁檢測(cè)提供參考[1-2]；動(dòng)載試驗(yàn)是評(píng)定橋梁運(yùn)營(yíng)荷載等級(jí)和實(shí)際使用情況的重要方式[3-4]。為了保障公路橋梁的質(zhì)量,尤其是采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的橋梁質(zhì)量,以及交通部頒布的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H10—2009）中明確規(guī)定,必須判斷橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力,檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。下面將結(jié)合工程實(shí)例對(duì)公路橋梁檢測(cè)動(dòng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。

1 荷載試驗(yàn)

橋梁的荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn),是指在橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上施加與控制荷載等效的外加靜力荷載和動(dòng)力荷載,通過(guò)儀器設(shè)備測(cè)試控制截面和控制部位的靜、動(dòng)力特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

一般情況針對(duì)舊橋進(jìn)行荷載試驗(yàn),隨著對(duì)橋梁質(zhì)量控制的重視,新建的大橋、特大橋的驗(yàn)收也進(jìn)行了荷載試驗(yàn),甚至預(yù)制施工的橋梁也針對(duì)單片梁進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn),需進(jìn)行檢測(cè)的橋梁主要有以下幾種:

（1）技術(shù)狀況評(píng)定為四、五類的已建橋梁。（2）擬提高汽車荷載等級(jí)的橋梁。

（3）遭受重大自然災(zāi)害或意外事件或需通過(guò)特殊重型車輛荷載的橋梁。

（4）承載能力驗(yàn)算的作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值在1.0～1.2的橋梁。

（5）采用設(shè)計(jì)復(fù)核等方法也難以準(zhǔn)確判斷其能否承受預(yù)定荷載的橋梁。

（6）某些特殊情況下的橋梁也需進(jìn)行荷載試驗(yàn),如經(jīng)過(guò)修復(fù)、加固或者改進(jìn)的,對(duì)工程施工質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證的,缺乏設(shè)計(jì)與施工資料的,或采用“四新”技術(shù)施工的橋梁。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）靜載試驗(yàn)參數(shù)。通過(guò)準(zhǔn)備階段的調(diào)查,按最不利受力原則和代表性原則選定一孔或幾孔橋跨的截面為測(cè)試截面,如施工質(zhì)量較差、缺陷較多、病害較重、主跨或典型跨度、異形結(jié)構(gòu)等,測(cè)試截面主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1,多片預(yù)制梁還可以測(cè)試其橫向分布系數(shù)。

（2）動(dòng)載試驗(yàn)參數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與其組成形式、剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)。一般有動(dòng)荷載的橋梁都檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)值,其他特殊情況如人行橋只檢測(cè)結(jié)構(gòu)的自振特性,測(cè)試截面采用與靜載試驗(yàn)相同的橋孔,具體的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)截面及加載位置確定

橋梁靜載試驗(yàn)截面和加載位置要選擇其最不利位置。通過(guò)有限元理論分析,通過(guò)包絡(luò)圖和影響線找到其最不利位置。

表1 常用橋梁結(jié)構(gòu)控制截面與試驗(yàn)參數(shù)

表2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)

（1）包洛圖。在移動(dòng)荷載作用下,由各截面內(nèi)力的最大值連接而成的曲線稱為包絡(luò)圖。通過(guò)有限元分析找出橋梁在移動(dòng)荷載下彎矩包絡(luò)圖。可以確定橋梁靜載試驗(yàn)的截面和加載位置。

（2）影響線。影響線表示結(jié)構(gòu)中由沿結(jié)構(gòu)跨度移動(dòng)的單位載荷引起的內(nèi)力、位移或反力等的數(shù)值 (稱影響值)隨單位載荷作用位置變化的曲線,它可用于確定在多種載荷共同作用下的影響值,也可用于確定結(jié)構(gòu)上移動(dòng)載荷的最不利位置。從而可以確定橋梁試驗(yàn)的截面位置以及加載位置。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

東江特大橋東莞段起于K30+916.3,橋跨包括（2×50）m+（48+3×75+48）m；主橋上部結(jié)構(gòu)采用（48+3×75+48）m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),箱梁?jiǎn)蜗鋯问遥粯驅(qū)掚p幅33.5 m,雙向八車道；下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)、墻式橋墩（中間墩梁固結(jié)）。剛構(gòu)橋布置圖如圖1所示。橫向布置為0.5 m（防撞欄）+15.5 m（車行道）+0.5 m（防撞欄）=16.5 m。

圖1 剛構(gòu)橋布置圖（單位:m）

2.2 試驗(yàn)條件

（1）準(zhǔn)備工作。查閱設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)資料,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查該橋梁現(xiàn)狀。成橋試驗(yàn)必須在橋梁結(jié)構(gòu)形成整體之后進(jìn)行,單片梁試驗(yàn)必須有防止側(cè)翻的措施。選好精度適宜的儀器設(shè)備,編制試驗(yàn)方案。根據(jù)最不利原則和典型性原則,考慮到岸上作業(yè)及檢測(cè)設(shè)備的安裝方便,選定16#～19#墩連續(xù)剛構(gòu)橋試驗(yàn)跨。考慮是晴天,晚上溫度在20℃左右,車輛通行量少,試驗(yàn)時(shí)間安排在下午6點(diǎn)至晚上10點(diǎn)。

（2）試驗(yàn)荷載。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）(以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》)的要求,橋梁的靜力試驗(yàn)按荷載效率來(lái)確定試驗(yàn)的最大荷載,對(duì)于交（竣）工驗(yàn)收,荷載效率取值范圍宜介于0.85～1.05,加載設(shè)備選用過(guò)磅土方車。

本次靜載試驗(yàn)加載試驗(yàn)需要10臺(tái)約360 kN土方車,動(dòng)載試驗(yàn)選用一輛總重約為360 kN的過(guò)磅土方車,本次試驗(yàn)加載采用360 kN,車輛橫向布置如圖2所示。

圖2 加載車輛車輪間距（單位:cm）

（3）試驗(yàn)截面和加載位置。通過(guò)midas建立有限元分析,根據(jù)橋梁在移動(dòng)荷載下的包絡(luò)圖和影響線得出橋梁的16#～17#跨0.4L、17#～18#和18#～19#0.5L截面正彎矩受力最大,18#墩負(fù)彎矩最大。所以選取圖3中A、B、C、D作為試驗(yàn)截面。

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)截面A（B、C、D）布置橫斷面圖（單位:cm）

（4）測(cè)點(diǎn)布置。根據(jù)評(píng)定規(guī)程的要求,在試驗(yàn)跨的控制截面（圖3中的A、B、C、D截面）處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn),在跨中位置及邊梁1/4跨布置撓度測(cè)點(diǎn)如圖4所示,加速度傳感器布置在各檢測(cè)跨中位置,如圖5所示。

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖5 動(dòng)測(cè)的傳感器測(cè)點(diǎn)布置

2.3 有限元模型分析

根據(jù)該橋設(shè)計(jì)圖紙,應(yīng)用有限元分析軟件midas Civil,按照橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求,計(jì)算出在設(shè)計(jì)荷載作用下試驗(yàn)截面的最大彎矩、位移及基頻,如圖6所示。

圖6 基頻計(jì)算（f=1.54 Hz）

2.4 試驗(yàn)加載

（1）加載工況。靜載試驗(yàn)包括中載工況和偏載工況,從歷年橋梁檢測(cè)來(lái)看,在匝道橋等彎斜橋、不對(duì)稱直橋,以及左右分幅橋梁中應(yīng)采用偏載試驗(yàn),本橋采用布置10輛過(guò)磅土方車作為偏載試驗(yàn)荷載,加載車的載位布置如圖7所示。各工況荷載效率和動(dòng)載試驗(yàn)荷載工況分別見(jiàn)表3和表4。

表3 各工況荷載效率

表4 動(dòng)載試驗(yàn)荷載工況

（2）加載步驟。靜載試驗(yàn)按最大控制截面內(nèi)力荷載工況均分為3級(jí),每級(jí)加載過(guò)程中其他截面內(nèi)力應(yīng)逐級(jí)增加,且內(nèi)力不應(yīng)超過(guò)荷載作用下的最不利內(nèi)力。正式加載前,非工作人員退場(chǎng),待一切工作安排就緒,進(jìn)行預(yù)加載,以消除橋梁結(jié)構(gòu)間隙和檢查各試驗(yàn)量測(cè)儀器儀表讀數(shù)是否正常。預(yù)加載車退出,各試驗(yàn)量測(cè)儀表讀數(shù)調(diào)零,進(jìn)行第一次空載讀數(shù)。正式實(shí)施試驗(yàn)加載,每級(jí)汽車荷載駛?cè)胫付ǖ膮^(qū)域就位后,穩(wěn)定20～30 min后記錄各量測(cè)儀表的讀數(shù)。

圖7 工況1～工況4車輛縱向布置簡(jiǎn)圖（單位:m）

試驗(yàn)加載終止條件:

a.控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力已達(dá)到或超過(guò)用彈性理論按規(guī)范安全條件反算的控制應(yīng)力值時(shí)。

b.控制測(cè)點(diǎn)變位（或撓度）超過(guò)規(guī)范允許值時(shí)。

c.裂縫長(zhǎng)度、數(shù)量急劇發(fā)展時(shí)。

d.發(fā)生其他破壞,如預(yù)應(yīng)力筋崩斷、混凝土壓碎、墩臺(tái)橋墩偏位、支座損壞等影響橋梁承載能力或正常使用時(shí)。

2.5 結(jié)果分析

橋梁檢驗(yàn)采用校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余來(lái)評(píng)定橋梁的承載能力和工作狀態(tài)。校驗(yàn)系數(shù)η是橋梁靜載試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)（撓度、應(yīng)力）與理論計(jì)算值之比。η＞1說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、不安全。η過(guò)大過(guò)小都要對(duì)其分析原因。η過(guò)小可能是橋梁結(jié)構(gòu)整體工作好,也可能是材料的彈性模量高于設(shè)計(jì)值或者是橋梁有限元分析簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)單,相對(duì)殘余大小反映橋梁結(jié)構(gòu)的剛度。

（1）校驗(yàn)系數(shù)。是試驗(yàn)荷載作用下測(cè)量的結(jié)構(gòu)彈性位移或內(nèi)力值與該加載項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面計(jì)算內(nèi)力或位移的最大值之比:

測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余指試驗(yàn)荷載作用下測(cè)量的結(jié)構(gòu)殘余位移或應(yīng)變值與該荷載作用下結(jié)構(gòu)的總位移或應(yīng)變值之比,取值不宜大于20%:

（2）撓度測(cè)量。主要測(cè)點(diǎn)結(jié)果見(jiàn)表5,橫向測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值與加載重量關(guān)系如圖8所示。

表5 撓度實(shí)測(cè)結(jié)果 mm

從圖8和表5可以看出試驗(yàn)工況下,梁底的實(shí)測(cè)應(yīng)變與加載彎距的關(guān)系線性相關(guān)系數(shù)接近1,控制截面的主要測(cè)點(diǎn)撓度值均小于理論計(jì)算值,撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.58～0.74,撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1,能夠滿足《試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于橋梁主要測(cè)點(diǎn)靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)的要求。表5可知梁主要測(cè)點(diǎn)撓度相對(duì)殘余均小于20%,橋梁具有足夠的剛度和安全儲(chǔ)備。

（3）應(yīng)力應(yīng)變。梁底的實(shí)測(cè)應(yīng)變與加載彎距的關(guān)系線性相關(guān)系數(shù)接近1,表明試驗(yàn)跨的梁體在線彈性范圍內(nèi)工作,校驗(yàn)系數(shù)小于1,相對(duì)殘余小于20%,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。主要測(cè)點(diǎn)測(cè)量見(jiàn)表6,梁底橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與加載重量的關(guān)系曲線如圖9所示。

由表6可知控制截面的主要測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1.0,相對(duì)殘余均小于20%,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度,滿足設(shè)計(jì)荷載對(duì)其承載力的要求,有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖8 橋梁橫向測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值與加載重量關(guān)系圖

表6 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果 με

（4）基頻測(cè)試。通過(guò)不同時(shí)速和剎車測(cè)試橋梁的自振頻率和阻尼系數(shù),表7是橋梁頻率和阻尼系數(shù)實(shí)測(cè)值和理論值的比較。一般結(jié)構(gòu)只測(cè)一階頻率,阻尼一般采用半功率帶寬法測(cè)定,沖擊系數(shù)采用動(dòng)荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與靜荷載產(chǎn)生的效應(yīng)之比,實(shí)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)剛度較好。

從表7看出實(shí)測(cè)頻率大于理論值,沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值平均值小于理論值,該橋的實(shí)際剛度較大,振動(dòng)響應(yīng)較小,表明橋梁實(shí)際剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁在試驗(yàn)荷載作用下,變形和應(yīng)變分布正常,校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余均滿足《試驗(yàn)規(guī)程》的要求,應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)較小,有足夠的剛度、強(qiáng)度和安全儲(chǔ)備。

圖9 梁底橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與加載重量的關(guān)系曲線

表7 實(shí)測(cè)和理論值比較

橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)是橋梁承載能力檢驗(yàn)的重要手段,試驗(yàn)內(nèi)容的選擇與試驗(yàn)過(guò)程中的安全是直接影響橋梁檢測(cè)成功的關(guān)鍵,要注意以下幾點(diǎn):

（1）橋梁類型多樣,因此試驗(yàn)截面及加載位置確定尤為關(guān)鍵,必須通過(guò)包絡(luò)圖和影響線找到其最不利位置。

（2）荷載的加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行,每一級(jí)的測(cè)量數(shù)據(jù)必須能夠穩(wěn)定,且與理論分析結(jié)果相差不大,符合終止條件的必須先終止,檢查無(wú)誤后才能繼續(xù)。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)采用有限元軟件模擬分析,檢測(cè)過(guò)程應(yīng)消除或降低環(huán)境的影響,確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

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U446

A

1009-7716（2017）07-0225-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.070

2017-03-16

葉健（1981-）,男,廣東韶關(guān)人,道橋中級(jí)工程師,從事公路橋梁質(zhì)量監(jiān)督與檢測(cè)工作。