無錫市開源大橋主橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

湯麗立，韓榮剛

(1.無錫市政設(shè)施管理處，江蘇無錫 214001;2.陜西高速集團(tuán)西漢分公司，陜西西安 710064)

開源大橋位于無錫市學(xué)前西路，跨越京杭大運(yùn)河城區(qū)段，橋梁全長(zhǎng)682 m，橋?qū)?8 m。其中主橋橋長(zhǎng)195 m，跨徑組成(50+95+50)m，采用梁拱組合體系，單片拱下承式結(jié)構(gòu)。拱肋為鋼結(jié)構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。設(shè)計(jì)荷載城-A，設(shè)計(jì)車速50 km/h，按7度設(shè)防。開源大橋主橋概貌見圖1。

圖1 開源大橋主橋概貌

按照規(guī)范［1］要求，1～2年宜對(duì)Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁結(jié)構(gòu)定期檢測(cè)。通過靜動(dòng)載試驗(yàn)檢驗(yàn)該橋的承載能力和使用功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，了解該橋的運(yùn)行狀態(tài)，確保在受控狀態(tài)下安全運(yùn)行。

1 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)主要是通過測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下各控制斷面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符，它是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)最直接、最有效的辦法［2］。

1.1 試驗(yàn)原則

靜載試驗(yàn)工況下所需加載車輛的數(shù)量和重量，將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的某工況下的最不利效應(yīng)值按下式所定原則等效換算而得

式中，η為靜力試驗(yàn)荷載效率;Sstatic為試驗(yàn)荷載作用下，某工況最大計(jì)算效應(yīng)值;Sdesign為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載(不計(jì)沖擊作用時(shí))產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)值;(1+μ)為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本橋?yàn)榱汗敖M合體系，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)分別針對(duì)箱梁和主拱肋的不同截面設(shè)置不同的加載工況。因篇幅有限，只給出在對(duì)稱加載下以下兩個(gè)工況的詳細(xì)分析。

工況Ⅰ——主橋箱梁中跨跨中截面彎矩和撓度;

工況Ⅱ——主拱肋L/2截面彎矩和撓度。測(cè)試截面布置見圖2。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

下面主要對(duì)主梁中跨跨中截面A應(yīng)變較大的箱梁底部11～16號(hào)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;并對(duì)主拱肋跨中截面E水平方向兩個(gè)截面上應(yīng)變較大的1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1至表3。

通過荷載試驗(yàn)測(cè)得的中跨和主拱肋截面的部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)值，超出了文獻(xiàn)［3］《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(報(bào)批稿)》中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常用校驗(yàn)系數(shù)的上限值0.9，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得主要測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)值雖然小于規(guī)范要求的上限值1，但是撓度校驗(yàn)系數(shù)值都比較接近上限值1。校驗(yàn)系數(shù)標(biāo)明中跨主梁的承載能力較設(shè)計(jì)有所減弱，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)中跨腹板、橫隔板和頂板出現(xiàn)了大量裂縫比較吻合。

現(xiàn)場(chǎng)中跨主要控制截面的最大殘余變形為14%，主拱肋跨中截面的最大殘余變形為6.1%，都滿足文獻(xiàn)［3］中控制截面殘余變形小于20%的要求，標(biāo)明主橋處于彈性工作狀態(tài)。

圖2 主橋橋跨測(cè)試截面布置(單位:cm)

表1 靜載試驗(yàn)工況加載效率

表2 主橋跨中應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表3 拱肋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得在荷載作用下主梁的最大撓度為9.4 mm，拱肋的最大撓度4.9 mm;滿足文獻(xiàn)［3］中試驗(yàn)荷載作用下拱梁組合橋主梁和主拱肋最大撓度值(梁最大撓度值L/600=15.8 mm，拱最大撓度限制為L(zhǎng)/800=11.9 mm)。

2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是將動(dòng)荷載作用在橋梁的指定位置，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)和動(dòng)振幅等，研究橋梁結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性和由車輛移動(dòng)荷載引起的車致振動(dòng)問題，是了解橋梁實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力的直接手段［4-5］。

2.1 試驗(yàn)方案

動(dòng)載試驗(yàn)分為兩部分，即脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。脈動(dòng)試驗(yàn)是在橋梁布置傳感器，測(cè)自振頻率、阻尼比;強(qiáng)迫振動(dòng)采用兩輛30 t重車，分別以20 km/h，30 km/h和40 km/h往返通過橋梁，測(cè)出在跑車、剎車和跳車三種形態(tài)下的動(dòng)撓度和沖擊系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1)沖擊系數(shù)

時(shí)速40 km/h的工況下，極大動(dòng)撓度到達(dá)0.146 mm，沖擊系數(shù)為1.086，見圖3。

圖3 時(shí)速40 km/h跑車動(dòng)撓度時(shí)程曲線

由強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)跨中的動(dòng)撓度曲線得到實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大為1.086，小于按規(guī)范計(jì)算的沖擊系數(shù)1.092，滿足要求。

2)結(jié)構(gòu)整體剛度

結(jié)構(gòu)整體剛度從實(shí)測(cè)橋跨的固有模態(tài)參數(shù)中振動(dòng)頻率方面予以比較，橋梁各階段與相應(yīng)計(jì)算值的比值均＞1.0，根據(jù)文獻(xiàn)［3］關(guān)于實(shí)測(cè)自振頻率評(píng)定橋梁技術(shù)狀態(tài)的評(píng)斷標(biāo)準(zhǔn)，橋梁上部結(jié)構(gòu)處于較好狀態(tài)。

3)阻尼比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的阻尼比均＞1%，根據(jù)文獻(xiàn)［3］關(guān)于阻尼比值評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，上部結(jié)構(gòu)處于帶裂縫工作狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際情況相符。

4)實(shí)測(cè)動(dòng)振幅

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的中跨跨中在跳車時(shí)的最大振幅為0.316 mm，小于文獻(xiàn)［3］中跨度為30～125 m的組合梁允許振幅標(biāo)準(zhǔn)值2.0～3.0 mm的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在靜載試驗(yàn)荷載作用下，主梁跨中實(shí)測(cè)最大撓度和拱肋實(shí)測(cè)最大撓度均小于最大撓度限值，且小于撓度計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)＜1.0，但較接近上限值1.0，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)中跨腹板、橫隔板和頂板出現(xiàn)了大量裂縫比較吻合。卸載后，結(jié)構(gòu)殘余變形較小，基本處于彈性工作狀態(tài)。

2)在動(dòng)載試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)各階頻率與相應(yīng)計(jì)算值的比值均＞1.0，橋梁上部結(jié)構(gòu)處于較好狀態(tài)。實(shí)測(cè)橋梁沖擊系數(shù)小于理論計(jì)算值，各工況下實(shí)測(cè)橋梁最大振幅為0.316，均滿足文獻(xiàn)［3］中相關(guān)規(guī)定。總體上開源大橋強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力性能均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全。

［1］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．CJJ99—2003 J281—2003 城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003．

［2］ 胡大琳．橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2000．

［3］ 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［4］ 吳浪輝，馬保松，楊永貴．武漢白沙洲高架橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2009(12):15-17．

［5］ 馮星，孫常新．馬底驛Ⅱ號(hào)大橋動(dòng)靜載試驗(yàn)測(cè)試與分析［J］．鐵道建筑，2010(8):24-26．