基于靜載試驗(yàn)的大跨度獨(dú)塔斜拉橋承載能力評(píng)定

義啟貴

(廣西壯族自治區(qū)桂東公路發(fā)展中心，廣西 梧州 543000)

0 引 言

21世紀(jì)以來，我國交通運(yùn)輸行業(yè)飛速發(fā)展，橋梁工程逐漸深入到建設(shè)條件差的高原或山區(qū)中，不僅要跨越江河，也要橫跨山谷；因此大跨度橋梁的建設(shè)越來越常見，而獨(dú)塔斜拉橋的建設(shè)，是能夠彌補(bǔ)連續(xù)箱梁跨中下?lián)辖M合結(jié)構(gòu)的不足之處，獨(dú)塔斜拉橋關(guān)鍵在于獨(dú)塔的設(shè)計(jì)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)來扣住拉索，從而可以實(shí)現(xiàn)更大的跨越效果。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨度斜拉橋的研究比較多，主要研究調(diào)整索力和主塔的承載力或截面形式，關(guān)于承載能力評(píng)定方法的研究較少[1-3]。尹波[4]就斜拉橋的荷載試驗(yàn)進(jìn)行了研究，以成橋后的工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)時(shí)的線型進(jìn)行對(duì)比，判斷該橋是否符合設(shè)計(jì)要求，通過靜載試驗(yàn)、脈動(dòng)試驗(yàn)及跑車試驗(yàn)得出該橋滿足靜動(dòng)力承載要求；陳思遠(yuǎn)[5]對(duì)單塔單索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)及動(dòng)力荷載試驗(yàn)，通過分析兩種試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)測結(jié)果，得出該橋滿足承載能力要求；賴錦興對(duì)雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該橋滿足承載要求；江曉鳴[6]認(rèn)為橋梁的靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)軌虺浞终鎸?shí)地反應(yīng)橋梁正常使用和正常運(yùn)營的工作狀態(tài)，通過對(duì)某新建的獨(dú)塔混合梁斜拉橋做靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)，可以推出此方法確實(shí)可以評(píng)定橋梁的工作狀況和承載能力。相對(duì)殘余應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)考慮承載能力和變形要求的重要參數(shù)，針對(duì)兩種不同工況下的相對(duì)殘余應(yīng)變對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證該橋滿足承載力和變形要求。

1 工程概況與有限元建模

以湘西州保靖縣酉水三橋?yàn)檠芯勘尘埃摌蛑骺?01 m，邊跨196 m，次邊跨62 m，橋梁總長為376 m，邊跨設(shè)有輔助墩，橋面寬31.5 m，主塔與扣鎖固結(jié)在一起，有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型圖

2 靜力荷載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)場試驗(yàn)人員通過肉眼觀察橋梁結(jié)構(gòu)表面是否產(chǎn)生裂縫，是否有較為明顯的損壞痕跡，靜載試驗(yàn)的主要內(nèi)容是通過測量儀器和回彈儀等一些規(guī)范工具對(duì)梁體的一些試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測試。

2.2 測點(diǎn)布置

測點(diǎn)的選取應(yīng)通過計(jì)算和規(guī)范給出，得出橋梁結(jié)構(gòu)的最不利位置或應(yīng)力內(nèi)力相對(duì)較大的地方以及較薄弱的截面和內(nèi)力形式較為復(fù)雜的截面。選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高和較不利截面，以此來判斷該結(jié)構(gòu)是否能夠抵擋住特殊情況下的受力，通過選擇常規(guī)截面驗(yàn)證橋梁在一般使用條件下是否滿足使用要求。通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載后，測出計(jì)算書上已測得的數(shù)據(jù)，再和理論計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。全橋選取測試部分的編號(hào)見表1。

2.3 試驗(yàn)加載

通過荷載計(jì)算出的三軸載重車的加載方式進(jìn)行加載。試驗(yàn)加載使用的汽車給到橋梁的荷載模擬設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載，在合理范圍內(nèi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，所加荷載不至于讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。試驗(yàn)前會(huì)對(duì)加載車進(jìn)行配重并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，滿足要求即可到荷載試驗(yàn)的現(xiàn)場指定加載車輛的施荷位置。

表1 測試斷面布設(shè)圖

2.4 試驗(yàn)荷載工況

根據(jù)理論計(jì)算，選取兩種主要影響橋梁結(jié)構(gòu)承載力的兩種工況來進(jìn)行荷載試驗(yàn)，第一種工況為對(duì)稱布置荷載，根據(jù)跨中計(jì)算的最大正彎矩和豎向撓度進(jìn)行；第二種工況為偏載分布，根據(jù)中跨計(jì)算的最大正彎矩進(jìn)行；第三種工況為根據(jù)主梁最大負(fù)彎矩對(duì)稱分布荷載；并且每種荷載工況應(yīng)滿足荷載效率系數(shù)的規(guī)定，在0.85～1.05之間。

3 結(jié)果的測試及分析

3.1 肉眼觀測裂縫

對(duì)需要進(jìn)行荷載試驗(yàn)的橋梁找到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并采用肉眼觀察法進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測，在此次荷載試驗(yàn)中外觀檢測結(jié)果合格。

3.2 應(yīng)變計(jì)測試應(yīng)變結(jié)果及分析

在做荷載試驗(yàn)之前，應(yīng)在各個(gè)測試截面或測點(diǎn)提前貼好應(yīng)變片，在荷載試驗(yàn)過程中應(yīng)確保應(yīng)變片貼的牢固，不能在試驗(yàn)過程中導(dǎo)致應(yīng)變片掉落，而使應(yīng)變測試結(jié)果不準(zhǔn)確。在確保上述環(huán)節(jié)順利完成后，通過加載車輛駛?cè)霕蛄簩?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載以后觀察應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)，可知應(yīng)變測試結(jié)果如表2、圖2、表3、圖3、表4和圖4所示。

表2 各測點(diǎn)在第一種工況加載作用下的應(yīng)變

表3 各測點(diǎn)在第二種工況加載作用下的應(yīng)變

表4 各測點(diǎn)在第三種工況加載作用下的應(yīng)變

圖2 工況1應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對(duì)比圖

圖3 工況2應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對(duì)比圖

圖4 工況3應(yīng)變測點(diǎn)分析結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)上述圖表可知： 結(jié)構(gòu)在荷載試驗(yàn)計(jì)算書中，所計(jì)算的三軸加載車完全加載后，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部變形，內(nèi)部之間會(huì)有對(duì)應(yīng)的應(yīng)力產(chǎn)生，最大的應(yīng)變值為236 με，最小的應(yīng)變值為-411 με，而實(shí)際測得的應(yīng)變值小于有限元模型荷載試驗(yàn)計(jì)算書上的應(yīng)變值，所測測點(diǎn)中應(yīng)變校核系數(shù)上下浮動(dòng)較大，最小為0.60，最大為0.83，均滿足不大于1的要求；在完全將加載車卸下之后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了殘余應(yīng)變，材料內(nèi)部相對(duì)原始?xì)堄鄳?yīng)變最大為7.14%，滿足不大于20%的要求，說明該梁在整個(gè)加載過程并且卸載之后一直滿足設(shè)計(jì)對(duì)其所需的要求。

3.3 測得撓度結(jié)果并分析

在測得現(xiàn)場所布測點(diǎn)的撓度值后，要對(duì)所測撓度值進(jìn)行修正，才能得出最后的現(xiàn)場撓度實(shí)際測得值，再求出各測點(diǎn)在荷載試驗(yàn)下的撓度值，測試結(jié)果如表5、表6、表7和圖5、圖6、圖7所示。

表5 各測點(diǎn)在第一種工況加載作用下的位移

表6 各測點(diǎn)在第二種工況加載作用下的位移

表7 各測點(diǎn)在第三種工況加載作用下的位移

圖5 工況1測點(diǎn)結(jié)果對(duì)比圖

圖6 工況2測點(diǎn)結(jié)果對(duì)比圖

圖7 工況3測點(diǎn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖表可知:撓度理論計(jì)算最大值為129.8 mm，最小值為80.8 mm，最大值和最小值同時(shí)發(fā)生在工況二荷載作用下的情況，在理論計(jì)算中，工況二荷載作用下會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變形較為明顯，通過實(shí)際撓度測得值可知，撓度實(shí)測最大值92.1 mm，撓度實(shí)測最小值66.7 mm，可以印證理論計(jì)算中判斷的該結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)存在一定明顯的變形；將荷載試驗(yàn)指定車輛加載到橋梁結(jié)構(gòu)上時(shí)，實(shí)際測得的撓度值小于有限元軟件計(jì)算荷載試驗(yàn)書上的撓度值，說明該結(jié)構(gòu)在載荷作用下結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài)，在日后的正常運(yùn)營條件下，也能滿足正常設(shè)計(jì)要求和使用年限；所測測點(diǎn)中撓度校核系數(shù)分布較為集中，在0.70左右波動(dòng)，最小為0.69，最大達(dá)0.80，這兩種荷載工況作用下?lián)隙刃：讼禂?shù)最大值為0.80，均滿足不大于1的要求；在完全卸下加載車輛以后，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)有些許殘留應(yīng)變，結(jié)構(gòu)在巨大荷載的強(qiáng)烈加持下，會(huì)有適當(dāng)?shù)奈灰坪妥冃螣o法恢復(fù)原始的位置，在一定的合理允許范圍內(nèi)，可以存在一定的最大殘余值，其材料內(nèi)部相對(duì)原始最大殘余撓度為2.71%，滿足不大于20%的要求，說明梁板在荷載試驗(yàn)的全過程滿足合理使用要求。

3.4 應(yīng)變和撓度相對(duì)殘余應(yīng)變對(duì)比分析

在荷載試驗(yàn)中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載會(huì)產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生作用力與反作用力，會(huì)有一定的撓度，相對(duì)應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)結(jié)構(gòu)上的載荷卸去以后，結(jié)構(gòu)會(huì)隨著載荷的移置，變形也會(huì)慢慢恢復(fù)，若結(jié)構(gòu)能完全恢復(fù)加載之前的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)便是彈性工作狀態(tài)，說明計(jì)算所得的加載方式是符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許承受范圍之內(nèi)的，若結(jié)構(gòu)不能完全恢復(fù)加載之前的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，會(huì)有一定的殘余應(yīng)變，其對(duì)應(yīng)會(huì)有相對(duì)殘余應(yīng)變的產(chǎn)生，相對(duì)殘余應(yīng)變的大小也是結(jié)構(gòu)所需考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。結(jié)合應(yīng)變和撓度的理論值與測試值，取兩種主要荷載工況，考慮不同工況組合作用下，對(duì)比撓度和應(yīng)變的相對(duì)殘余應(yīng)變值如圖8、圖9所示。

圖8 不同工況下應(yīng)變相對(duì)殘余應(yīng)變對(duì)比圖

圖9 不同工況下?lián)隙认鄬?duì)殘余應(yīng)變對(duì)比圖

結(jié)合不同工況下應(yīng)變和撓度相對(duì)殘余應(yīng)變對(duì)比圖，可知：應(yīng)變和撓度的相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)趦煞N工況下相差不大，兩種工況下?lián)隙认鄬?duì)殘余應(yīng)變最小為1.76%，和最大相對(duì)殘余應(yīng)變相差0.95%，撓度相對(duì)殘余應(yīng)變變化幅度較小，可知不同測點(diǎn)所處位置的變形存在一定連續(xù)性，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一個(gè)有機(jī)整體；兩種工況下應(yīng)變相對(duì)殘余應(yīng)變最小為0，最大為7.14%，相對(duì)殘余應(yīng)變變化較為明顯，說明該橋內(nèi)部受力可能存在不均勻的地方，但兩者差值滿足設(shè)計(jì)要求；由圖表可知，最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.14%和2.71%，可知這兩者的最大相對(duì)殘余應(yīng)變均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，因此該橋在理論計(jì)算的加載中和卸載后均能滿足該橋的正常使用要求，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件和受力部位處于彈性工作狀態(tài)，是一種積極的受力狀態(tài)。

4 結(jié) 論

以理論實(shí)際相結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，建立有限元模型，通過模擬兩種工況來對(duì)該橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，通過肉眼觀測法橋梁結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂縫，通過有限元軟件計(jì)算出結(jié)構(gòu)的最不利荷載，根據(jù)計(jì)算結(jié)果算出加載車輛的類型和數(shù)量，對(duì)結(jié)構(gòu)施以給定的荷載得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及撓度，去工程現(xiàn)場用全站儀和回彈儀等一些儀器測量理論計(jì)算的參數(shù)，通過在規(guī)范內(nèi)允許的范圍比對(duì)兩者數(shù)據(jù)，并對(duì)比不同工況下應(yīng)變和撓度的相對(duì)殘余應(yīng)變，可知該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變形存在一定連續(xù)性，并且結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力存在不均勻的地方，但整體而言滿足結(jié)構(gòu)受力要求，該橋主要構(gòu)件和受力部位處于彈性工作狀態(tài)，得出該橋的承載能力及穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計(jì)要求。在以后同類型的荷載試驗(yàn)中，可適當(dāng)考慮相對(duì)殘余應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)判要求，在該橋日后的運(yùn)營中應(yīng)多注意橋梁內(nèi)部的受力狀況并定期定量進(jìn)行檢測和養(yǎng)護(hù)。