某四跨連續(xù)梁橋荷載試驗(yàn)

鄒建波, 許智強(qiáng), 王隨軍

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

近年來隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在各類交通運(yùn)輸建設(shè)中得到大量的應(yīng)用。為了保證橋梁運(yùn)營的安全性和舒適性，橋梁的技術(shù)狀況和承載能力需要定期進(jìn)行檢測評估，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[1]。

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)就是對橋梁結(jié)構(gòu)物進(jìn)行直接加載測試的一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)工作，其目的是通過荷載試驗(yàn)，了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而評定橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和使用狀況，為竣工驗(yàn)收和深入探索提供科學(xué)依據(jù)[2]。荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)，是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)(如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度)最直接有效的方法[3]。橋梁荷載試驗(yàn)在國內(nèi)各類橋型上有了相當(dāng)規(guī)模的工程實(shí)踐[4-8]。

本文以某四跨連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉ο螅M(jìn)行靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)分析，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比，評估該橋的技術(shù)狀況和承載能力，為今后同類橋梁的設(shè)計(jì)建造和運(yùn)營維護(hù)提供借鑒。

1　工程概況

某四跨連續(xù)梁橋?yàn)?25+26.5+26.5+25) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，截面采用單箱雙室箱梁，橋面寬13.75 m，雙向六車道布置，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，設(shè)計(jì)車速為50 km/h。橋跨布置示意圖如圖1所示。

圖1　橋跨布置(單位：m)

2　靜載試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)內(nèi)容與方法

靜載試驗(yàn)是通過模擬設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行加載試驗(yàn)，測試橋跨上部主體結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的效應(yīng)(應(yīng)力應(yīng)變、撓度)，對橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價(jià)[9]。靜載試驗(yàn)共分為3個(gè)工況，具體工況見表1。

表1　靜載試驗(yàn)工況及測試項(xiàng)目

根據(jù)主橋箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測試截面左右兩側(cè)各布置6個(gè)測點(diǎn)，左側(cè)測點(diǎn)編號1#～6#，右側(cè)測點(diǎn)編號7#～12#，累計(jì)共36個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)(圖2)。撓度測試沿縱橋向共設(shè)置17個(gè)撓度測點(diǎn)(圖3)。

圖2　應(yīng)變測點(diǎn)布置(單位：cm)

圖3　撓度測點(diǎn)布置(單位：cm)

理論計(jì)算采用橋梁通用有限元程序Midas Civil進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用載重汽車模擬設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)(內(nèi)力)，在結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力影響線最不利位置布載，使其試驗(yàn)荷載效率ηq滿足“0.85≤ηq≤1.05”的要求[10]。為了獲取橋梁試驗(yàn)荷載與變形的相關(guān)曲線，防止結(jié)構(gòu)意外損傷，各工況采用分級加載，分為4級。各工況分級加載示意如圖4～圖6所示。各工況分級加載荷載效率如表2所示。

圖4　工況1分級加載示意(單位：cm)

圖5　工況2分級加載示意(單位：cm)

圖6　工況3分級加載示意(單位：cm)

荷載分級工況1工況2工況3X荷載效率荷載效率X荷載效率13.50.680.603.50.66230.730.6830.7232.50.790.762.50.77420.850.9220.85

2.2　靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1應(yīng)變測試結(jié)果

各工況在各級荷載作用下測試的的應(yīng)變值和相對殘余應(yīng)變?nèi)绫?～表5所示。圖7、圖8給出了各工況下截面高度與應(yīng)變的關(guān)系。應(yīng)變以受拉為正，受壓為負(fù)。

從表3～表5中可以看出：實(shí)測邊梁兩側(cè)相同高度位置的應(yīng)變存在差別，受拉區(qū)外側(cè)拉應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)，受壓區(qū)外側(cè)壓應(yīng)變小于內(nèi)側(cè)，表明梁體存在斜彎曲。各主要測點(diǎn)隨著截面彎矩的增大呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，這說明測試截面在檢驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作階段，工作狀態(tài)良好。在各級檢驗(yàn)荷載下，各測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變均小于20 %，滿足規(guī)范要求[11]。從圖7、圖8可以看出：實(shí)測應(yīng)變沿高度呈線性變化，符合平截面假定。

根據(jù)各測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算各工況最大試驗(yàn)荷載下截面上下緣的平均應(yīng)力，并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，計(jì)算出應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)(表6)。根據(jù)表6可知各工況上下緣應(yīng)力實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.78之間，表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還有一定的富余度。

2.2.2撓度測試結(jié)果分析

在控制截面設(shè)置5個(gè)撓度測點(diǎn)，測試工況一和工況三在各級荷載下的撓度值，計(jì)算出控制截面撓度平均值和各測點(diǎn)的相對殘余撓度，如表7、表8所示。在工況一和工況三試驗(yàn)荷載作用下，全橋各測試截面的實(shí)測彈性撓度和理論計(jì)算撓度結(jié)果如圖9所示。撓度值以向下為正，向上為負(fù)。

從表7、表8可以看出：測試截面的撓度隨著截面彎矩的增大線性關(guān)系較好；相對殘余撓度最大為14 %，滿足規(guī)范小于20 %的要求[11]，說明結(jié)構(gòu)整體變形處于彈性工作狀態(tài)。工況一控制截面撓度計(jì)算值為3.22 mm,實(shí)測平均值為2.03 mm，結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.63；工況三控制截面撓度計(jì)算值為3.12 mm,實(shí)測平均值為1.61 mm，結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.52，結(jié)構(gòu)的剛度有一定的富余度。從圖9中可以看出：全橋?qū)崪y撓度曲線與理論計(jì)算值較吻合，符合連續(xù)梁的變形特點(diǎn)，撓度實(shí)測值小于理論計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)剛度有一定的變形儲備。

表3　工況一應(yīng)變測試結(jié)果

表4　工況二應(yīng)變測試結(jié)果

表5　工況三應(yīng)變測試結(jié)果

圖7　工況一、三截面應(yīng)變與高度的關(guān)系

圖8　工況二截面應(yīng)變與高度的關(guān)系

工況項(xiàng)目計(jì)算值實(shí)測值應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)工況1上緣壓應(yīng)力-0.59-0.320.54下緣拉應(yīng)力2.011.220.61工況2下緣拉應(yīng)力0.640.300.47上緣壓應(yīng)力-1.24-0.520.42工況3上緣壓應(yīng)力-1.16-0.470.41下緣拉應(yīng)力2.051.590.78

表7　工況一控制截面撓度測試結(jié)果　mm

圖9　全橋理論撓度值域?qū)崪y撓度值

表8　工況三控制截面撓度測試結(jié)果　mm

3　動載試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)內(nèi)容與方法

動載試驗(yàn)是通過測試橋跨結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)，分析橋梁結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的沖擊系數(shù)或動態(tài)增量，進(jìn)一步評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能[12]。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共選取四個(gè)截面進(jìn)行動載試驗(yàn)，分別為：1#跨跨中截面、1/4跨截面、2#跨跨中截面、1/4跨截面，依次編號1～4號截面。動載試驗(yàn)主要包括以下三個(gè)方面內(nèi)容：

(1)橋面無障礙行車試驗(yàn)。單輛車以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h速度通過橋梁試驗(yàn)跨，測試橋梁的振動響應(yīng)。

(2)橋面有障礙行車試驗(yàn)。單輛車在橋梁試驗(yàn)跨截面越過高10 cm的三角墊木，試驗(yàn)采用38 t重的車輛在跨中截面位置分別進(jìn)行了四次試驗(yàn)，在跨中及L/4處橋面進(jìn)行布置了傳感器，進(jìn)行橋梁響應(yīng)數(shù)據(jù)采集，測試橋梁的垂直振動響應(yīng)。

(3)脈動試驗(yàn)。在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率[2]。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1行車試驗(yàn)測試結(jié)果

表9給出了在10～50 km/h行車速度下橋面無障礙行車試驗(yàn)各截面振動幅值，幅值為振動單峰值，表10給出了跨中截面實(shí)測沖擊系數(shù)。表11 給出了橋面有障礙行車試驗(yàn)測試結(jié)果。

由表9、表10可知：橋面無障礙行車試驗(yàn)中各測試截面，均在行車速度為20 km/h和50 km/h時(shí)，幅值較大，跨中截面實(shí)測沖擊系數(shù)在20 km/h達(dá)到最大。由表11可知，橋面有障礙行車試驗(yàn)當(dāng)在3號截面跳車時(shí)，1號截面達(dá)到幅值最大值，為0.11 mm。

表9　橋面無障礙行車試驗(yàn)各截面最大幅值　mm

表10　橋面無障礙行車試驗(yàn)實(shí)測沖擊系數(shù)

表11　橋面有障礙行車試驗(yàn)各截面最大幅值　mm

3.2.2脈動試驗(yàn)測試結(jié)果

通過對各測點(diǎn)實(shí)測信號進(jìn)行頻譜、相位分析，得到實(shí)測自振頻率，對比理論計(jì)算值，如表12所示。

表12　脈動試驗(yàn)測試結(jié)果對比　Hz

實(shí)測一階自振頻率為2.77 Hz，與同類橋梁相符，自振頻率實(shí)測值均大于理論計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較大。

4　結(jié)論

(1)實(shí)測應(yīng)變沿高度呈線性變化，符合平截面假定。部分測點(diǎn)出現(xiàn)殘余應(yīng)變，最大值為19 %，滿足規(guī)范要求。應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41～0.78之間，表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還有一定的富余度。

(2)工況一和工況三控制截面相對殘余撓度最大為14 %，滿足規(guī)范要求。工況一撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.63，工況三撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.52，全橋撓度實(shí)測值小于理論計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)剛度有一定的變形儲備。

(3)橋面無障礙行車試驗(yàn)中實(shí)測沖擊系數(shù)在20 km/h達(dá)到最大；橋面有障礙行車試驗(yàn)最大幅值為0.11 mm；實(shí)測一階自振頻率為2.77 Hz。