基于荷載試驗(yàn)的在役鋼管混凝土拱橋安全評估

韓振國

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 泰州225300）

0 引 言

傳統(tǒng)拱橋具有較大跨越能力，且主要承受荷載壓力作用，有利于充分發(fā)揮圬工等抗壓材料的力學(xué)性能，但同時(shí)因拱肋材料強(qiáng)度不高、拱圈自身質(zhì)量較大等不足，限制了更大跨越能力發(fā)揮。隨著實(shí)際橋梁工程需要跨越更大距離的障礙物，突破矢跨比限值的拱橋結(jié)構(gòu)已屢見不鮮，主拱肋的穩(wěn)定性對整個(gè)橋梁安全的影響度增大[1]。主拱肋如果仍采用單一抗壓混凝土等材料，無法滿足現(xiàn)行規(guī)范安全技術(shù)要求。而采用套箍內(nèi)施加核心混凝土的鋼管混凝土組合材料，由于充分發(fā)揮了組合材料中鋼管壁限制管內(nèi)混凝土發(fā)生橫向變形共同作用，顯著提高了大跨度拱橋的安全穩(wěn)定性，在國內(nèi)得到了快速發(fā)展[2]。在役鋼管混凝土拱橋使用過程中不斷承受荷載車輛的反復(fù)作用、災(zāi)害天氣及交通事故等不利因素影響，造成橋梁的局部受損及破壞，降低橋梁安全運(yùn)營的可靠性，引發(fā)安全性問題。通過對在役鋼管混凝土拱橋的安全性評估，可以及早發(fā)現(xiàn)橋梁病患并確定橋梁損傷部位[3]，或在橋梁運(yùn)營出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，進(jìn)而有效地開展安全事故預(yù)防，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全[4]。

目前國內(nèi)外對于鋼管混凝土拱橋在組合材料的本構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算理論、結(jié)構(gòu)的動靜力分析及穩(wěn)定性分析等方面，均已經(jīng)開展了較為廣泛研究并取得成果。國外專家通過長期分析研究，積累大量橋梁荷載動力效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，確定合理沖擊系數(shù)的計(jì)算公式，建立了系統(tǒng)規(guī)范的橋梁荷載試驗(yàn)[5]。國內(nèi)通過對眾多橋梁開展不同程度橋梁檢測，借助橋梁荷載試驗(yàn)方法，對橋梁安全承載能力進(jìn)行了驗(yàn)證，不斷豐富和發(fā)展橋梁檢測理論。這其中包括梁格法，但梁格法實(shí)際建模時(shí)，由于對模型劃分降低了精細(xì)化要求，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差不能準(zhǔn)確反映鋼管混凝土拱橋真實(shí)動力反應(yīng)。本文在已有研究基礎(chǔ)上，對某在役鋼管混凝土拱橋在役狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析與評估。為真實(shí)反映某在役鋼管混凝土拱橋的極限承載能力狀態(tài)，按照精細(xì)化原理構(gòu)建拱橋有限元模型，分析影響在役鋼管混凝土拱橋安全狀態(tài)的因素，并對模型進(jìn)行理論加載分析，確定綜合評估模型中各計(jì)算公式的技術(shù)參數(shù)值。在各種加載工況下實(shí)測橋梁的應(yīng)力變形、動力特性和吊桿索力數(shù)值，通過與理論數(shù)值的對比分析，確定橋梁在役靜力、動力性能是否滿足安全要求。

1 安全評估指標(biāo)

橋梁安全評估即承載能力評估或強(qiáng)度評估，是對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞極限狀態(tài)的評估[6]，以結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能分析為主要內(nèi)容。利用荷載試驗(yàn)獲取在役鋼管混凝土拱橋運(yùn)營狀態(tài)的靜動力特性參數(shù)[7]，可以對橋梁運(yùn)營狀態(tài)下有限元模型進(jìn)行校核和修正，為在役橋梁運(yùn)營管理提供精細(xì)化基準(zhǔn)模型，便于進(jìn)行在役鋼管混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)的位移應(yīng)力預(yù)測和安全狀態(tài)評估[8]。

1）實(shí)測結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)ξ

校驗(yàn)系數(shù)是位移或應(yīng)變試驗(yàn)值與理論計(jì)算值之比[9]，反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作響應(yīng)。應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)越小，說明主梁的強(qiáng)度貯備越高；位移校驗(yàn)系數(shù)越小，說明主梁的剛度越好。

2）相對殘余變位或應(yīng)變Sp′

相對殘余變位或應(yīng)變Sp′指的是殘余變位（或殘余應(yīng)變）與總變位（或總應(yīng)變）的比值。其值小，說明主梁處于彈性工作狀態(tài)，一般要求其值不大于20%。

3）自振特性分析

自振特性主要以頻率分析、阻尼分析和振型分析過程進(jìn)行測試。使用速度傳感器作拾振器，采用振動及動態(tài)信號采集儀采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，由專業(yè)軟件識別確定相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。采用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，根據(jù)自相關(guān)譜、互相關(guān)譜、各點(diǎn)相位及相干系數(shù)確定各階頻率。結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)用阻尼比D可采用波形分析法按照式（1）計(jì)算得到。

式（1）中：n為參與計(jì)算的波的個(gè)數(shù)；Ai為參與計(jì)算的首波波峰值；Ai′為參與計(jì)算的首波波谷值；Ai+n為參與計(jì)算的尾波波峰值；Ai+n′為參與計(jì)算的尾波波谷值。

振型分析釆用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析軟件，對測試數(shù)據(jù)作傳遞函數(shù)分析，確定各測點(diǎn)的相對幅值大小和相位，從而得出橋梁結(jié)構(gòu)的各階振型。

4）沖擊系數(shù)μ

利用脈動法進(jìn)行自振特性測試[10]，記錄跨中橋面豎向速度時(shí)程曲線，通過對測得的速度積分得到橋面豎向位移增量的時(shí)程曲線后，按照式（2）計(jì)算在役鋼管混凝土拱橋在各行車試驗(yàn)工況下的實(shí)測沖擊系數(shù)。

式（2）中：fdmax為最大動擾度幅值；fp-p為擾動動態(tài)分量的峰-峰值。

2 工程實(shí)例有限元模型

2.1 橋梁概況

某在役鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為：16 m（預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁橋）+54 m（鋼管混凝土拱橋）+16 m（預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁橋）。主橋?yàn)橛?jì)算跨徑為54 m的系桿拱橋，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土拱肋、拱座采用C50自密實(shí)混凝土。拱肋軸線為二次拋物線，矢跨比為1∶4.5，矢高為12 m。拱肋鋼管采用Q345D鋼，吊桿拉索采用FPES平行鋼絲拉索，由85根直接7 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，外設(shè)PE套管。

2.2 模型建立

結(jié)構(gòu)建模按照精細(xì)化原理，充分考慮在役鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求，按照現(xiàn)場檢測獲取結(jié)果數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖紙，借助Midas Civil 2017建模軟件進(jìn)行建模計(jì)算[11-12]。拱肋、系桿、橫梁、風(fēng)撐采用梁單元，吊桿采用只受拉單元，橋面鋪裝層和護(hù)欄均轉(zhuǎn)換成均布荷載考慮，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

該橋結(jié)構(gòu)計(jì)算按雙向四車道考慮，設(shè)計(jì)荷載等級為公路I級，人群荷載按3.5 kPa計(jì)算，單側(cè)非機(jī)動車道按城市橋梁活荷載B級0.6的折減系數(shù)計(jì)算。考慮非機(jī)動車道荷載和人群荷載情況，設(shè)計(jì)活載作用下拱肋和系桿的彎矩包絡(luò)圖如圖2所示，撓度圖如圖3所示。

圖2 設(shè)計(jì)活載作用下拱肋和系桿彎矩包絡(luò)

圖3 設(shè)計(jì)活載作用下?lián)隙?/p>

3 靜載試驗(yàn)

3.1 橋梁靜載試驗(yàn)工況

考慮該在役鋼管混凝土拱橋運(yùn)營階段實(shí)際荷載特點(diǎn)，本次安全性評估試驗(yàn)選取主橋跨為試驗(yàn)對象，現(xiàn)場試驗(yàn)見圖4。結(jié)合設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，采用等效荷載進(jìn)行加載[13]。試驗(yàn)中加載車輛選用大型載重汽車，其中單輛車總重350 kN。本次靜載試驗(yàn)共3個(gè)工況，按照荷載效率ηq為0.82～1.04范圍進(jìn)行計(jì)算，基本可以滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）建議運(yùn)營階段橋梁荷載效率要求（0.95≤ηq≤1.05）[14]。各加載工況內(nèi)容及荷載效率詳見表1。

圖4 橋梁靜載現(xiàn)場試驗(yàn)

表1 靜載試驗(yàn)加載工況及效率系數(shù)

3.2 橋梁靜載測試截面布置

1）應(yīng)變測點(diǎn)布置

根據(jù)設(shè)計(jì)活載作用彎矩包絡(luò)圖計(jì)算結(jié)果，結(jié)合該在役鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取相應(yīng)控制截面進(jìn)行應(yīng)力測試[15]，同時(shí)測試截面應(yīng)避開構(gòu)件加厚部位。應(yīng)變測試采用振弦式表面應(yīng)變傳感器測量各構(gòu)件控制截面的應(yīng)變[16]，在主跨東、西側(cè)系桿、拱肋和中橫梁位置處布置應(yīng)變點(diǎn)，應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖5、圖6。

圖5 系桿、拱肋和中橫梁應(yīng)力測試截面布置

圖6 各構(gòu)件應(yīng)力測試截面應(yīng)力測點(diǎn)布置

2）撓度測點(diǎn)布置

控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的最大撓度，是衡量在役鋼管混凝土拱橋整體結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)之一[17]。梁撓度測試采用電子水準(zhǔn)儀和全站儀，測量試驗(yàn)荷載作用下系桿和拱肋各控制截面的豎向位移。變形測試選擇拱肋和系梁，變形測點(diǎn)布置在吊桿所在位置處布置，如圖7所示。

圖7 拱肋和系梁撓度測點(diǎn)布置

3）索力測點(diǎn)布置

利用頻率法測試吊桿內(nèi)力。將索力傳感器附著于在役鋼管混凝土拱橋主跨東西側(cè)各吊桿，測點(diǎn)位置見圖8，拾取吊桿在環(huán)境激振下的脈動信號，進(jìn)行頻譜分析，得到相應(yīng)吊桿自振頻率數(shù)值后，查閱并按照規(guī)范劃定的內(nèi)力和頻率固有關(guān)系式，計(jì)算確定相應(yīng)的吊桿內(nèi)力數(shù)值。

圖8 東西側(cè)吊桿索力測點(diǎn)布置

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

1）應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

各加載工況下主橋系桿、拱肋及中橫梁相應(yīng)測試截面的實(shí)測應(yīng)變與理論值對比分析見表2。檢測結(jié)果表明，試驗(yàn)荷載作用下，系桿、拱肋及中橫梁應(yīng)變實(shí)測值均小于理論值，系桿應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布在0.78～0.88之間，拱肋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布在0.67～0.85之間，中橫梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布在0.73～0.75之間，均滿足規(guī)范[14]中小于1.0的要求。卸載后，測試截面的應(yīng)變均能恢復(fù)，相應(yīng)殘余應(yīng)變率均小于20%，通過查閱規(guī)范結(jié)果表明該在役鋼管混凝土系桿拱橋主橋上部結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作安全狀態(tài)。

表2 加載工況下系桿、拱肋主要測點(diǎn)應(yīng)力分析

2）撓度數(shù)據(jù)分析

各加載工況下主橋系桿、拱肋相應(yīng)測試截面的實(shí)測豎向位移與理論值的對比分析見表3。檢測結(jié)果表明，試驗(yàn)荷載作用下，測試截面的撓度實(shí)測值均小于理論值，系桿撓度校驗(yàn)系數(shù)分布在0.81～0.92之間，拱肋撓度校驗(yàn)系數(shù)分布在0.77～0.84之間，均滿足規(guī)范[14]中小于1.0的要求。卸載后相應(yīng)殘余撓度均小于20%，表明主橋上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表3 加載工況下系桿、拱肋主要測點(diǎn)撓度分析

3）吊桿索力測試數(shù)據(jù)分析

吊桿基頻測試見表4結(jié)果表明，縱橫向?qū)ΨQ吊桿索力基本一致，所測吊桿的內(nèi)力校驗(yàn)系數(shù)數(shù)值分布在0.77～0.83間，實(shí)測吊桿索力數(shù)值與理論計(jì)算值具有較好的相符性，表明吊桿索力對稱分布，索力分布合理，滿足規(guī)范要求。

表4 吊桿主要測點(diǎn)內(nèi)力分析

5 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

針對在役鋼管混凝土拱橋的動載試驗(yàn)主要分為脈動試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動試驗(yàn)（跑車試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)）。脈動試驗(yàn)：在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源情況下，借助高靈敏度動力測試系統(tǒng)手段，測定隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)微小的豎向和橫向振動響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性[18-19]。強(qiáng)迫振動試驗(yàn)：①跑車試驗(yàn)。采用振動及動態(tài)信號采集系統(tǒng)共同采集，在試驗(yàn)跨的跨中截面位置的橋面上布設(shè)豎向拾振器，測試橋梁在不同車速作用下的動態(tài)振動響應(yīng)。②剎車試驗(yàn)。采用加載車輛不同速度勻速行駛至試驗(yàn)橋跨的跨中截面處剎車，測定主梁的動態(tài)振動響應(yīng)。

1）脈動試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用有限元程序?qū)χ鳂蛳禇U拱進(jìn)行動力特性分析，該橋的理論前三階豎向振型如圖9所示。對于實(shí)橋各測點(diǎn)的速度時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析，得到前三階實(shí)測豎彎振型如圖10所示。根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果表5可知：該在役鋼管混凝土拱橋主橋上部結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測值大于理論值，實(shí)測振型與理論振型一致，實(shí)測阻尼處于正常范圍內(nèi)，說明主橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度大于理論剛度。

表5 頻率實(shí)測數(shù)值與計(jì)算值比較

圖9 主橋理論前三階振型

圖10 主橋?qū)崪y前三階振型

2）跑車試驗(yàn)及剎車試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)采用一輛35T的標(biāo)準(zhǔn)車分別進(jìn)行跑車試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)，采用速度傳感器結(jié)合動力測試系統(tǒng)記錄橋面的豎向速度時(shí)程曲線。通過軟件進(jìn)行積分計(jì)算，求得結(jié)構(gòu)的動位移時(shí)程曲線見圖11，測得橋梁在行車條件下的實(shí)際沖擊系數(shù)見表6。測試結(jié)果表明：行車試驗(yàn)實(shí)測沖擊系數(shù)小于理論計(jì)算值，橋梁自身的動力性能較好。

圖11 強(qiáng)迫振動撓度測試時(shí)程曲線

表6 不同車速激振下試驗(yàn)結(jié)果分析

6 結(jié) 論

1）以現(xiàn)行規(guī)范理論與荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了在役鋼管混凝土拱橋?qū)嶋H承載力計(jì)算模型。分別對荷載作用下該橋模型主橋系桿、拱肋及中橫梁相應(yīng)測試截面承受應(yīng)力、撓度和吊桿索力的理論值和實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算對比，結(jié)果表明該橋應(yīng)力數(shù)值、撓度分析和索力合理分布均能滿足安全使用的要求。在役鋼管混凝土拱橋的實(shí)測振型與理論振型一致，不同車速激振下沖擊系數(shù)結(jié)果對比可知，該橋自身動力特性處在較好狀態(tài)。

2）綜合分析荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在役鋼管混凝土拱橋試驗(yàn)現(xiàn)象可知，該在役鋼管混凝土拱橋整體結(jié)構(gòu)處在彈性受力狀態(tài)下，拱肋、系桿和系梁受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該方法評估結(jié)論能夠有效地反映出橋梁的實(shí)際使用情況，為后續(xù)橋梁運(yùn)營階段的養(yǎng)護(hù)維修和安全狀態(tài)評估提供了實(shí)踐參考。

3）本文在役鋼管混凝土拱橋?qū)嶋H承載力計(jì)算模型構(gòu)建時(shí)，主要采用復(fù)合梁單元建立鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)，忽略了鋼管與混凝土之間滑移的影響因素，建議后續(xù)的承載能力研究中應(yīng)將鋼管與混凝土之間的不同步變形一并進(jìn)行考慮。