宋金強(qiáng), 朱宏平, 黃民水,2

(1. 華中科技大學(xué)a)土木工程與力學(xué)學(xué)院，b)控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430074；2. 武漢工程大學(xué)交通研究中心, 湖北 武漢430074)

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁作為交通樞紐，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是近20年來，我國興建了很多類型各異的橋梁，這些橋梁在建設(shè)和運營期間經(jīng)常需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測，以保證其工程質(zhì)量和運營安全.尤其是在役橋梁，在各種因素作用下在不同程度上出現(xiàn)質(zhì)量問題，比如承載力、剛度以及耐久性降低等，進(jìn)而縮短了橋梁使用壽命，甚至發(fā)生垮塌事故.因此對在役橋梁進(jìn)行健康評估具有十分重要的意義[1-2].

對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康評估，其目的就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，對橋梁結(jié)構(gòu)在特殊氣候、交通條件下的營運安全狀況進(jìn)行評估，為橋梁管養(yǎng)決策提供指導(dǎo)[3-4].在健康監(jiān)測中，靜載試驗常用來評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，其檢測過程和結(jié)果都比較直觀.而近年來，動載試驗由于工作量較小、費用低、試驗時間短、操作方便且可不中斷交通，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用.在一定的時期內(nèi)，T構(gòu)帶掛梁的結(jié)構(gòu)體系得到了一定的應(yīng)用，但是經(jīng)過一段時間的運營，普遍出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題，比如T構(gòu)上部箱梁下?lián)虾烷_裂等[5-6].

本實驗采用現(xiàn)場靜載試驗和動載試驗相結(jié)合的檢測方法，并結(jié)合有限元理論分析，對某公跨鐵立交橋的健康狀況進(jìn)行了評估，為今后的維修、加固補(bǔ)強(qiáng)提供了詳實的技術(shù)資料.

1 工程背景

該橋全長226.57 m，橫跨京廣鐵路，與鐵路交角為59 °.主橋的結(jié)構(gòu)型式為：20 m掛梁+40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)+20 m掛梁+40 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)+20 m掛梁.T構(gòu)懸臂梁根部高4 m，端部高1.8 m，T構(gòu)橫截面為雙箱形，掛梁采用斜跨徑20 m裝配式混凝土T形簡支梁，每孔8片并列，梁高1.5 m，主梁中心間距2.0 m.該橋原設(shè)計荷載等級為汽車-超20級、掛車-120，橋面寬度為17 m，其中行車道寬15 m，兩側(cè)人行道各寬1 m，橋下凈空為8.5 m.

2 試驗方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及雙方簽訂的技術(shù)合同要求，本次檢測內(nèi)容和項目如表1.

表1 檢測內(nèi)容及項目

2.1 測試截面

測試控制截面為：1) 1-1截面，掛梁跨中(最大正彎矩)；2) 2-2截面，掛梁支點(最大剪力)；3) 3-3截面，T構(gòu)懸臂梁根部(最大負(fù)彎矩和最大剪力)；4) 4-4截面，T構(gòu)懸臂梁跨中；5) 5-5截面，橋墩(最大豎向反力)；6) 6-6截面，T構(gòu)懸臂梁端部(最大位移).測試截面位置分布如圖1.

圖1 測試截面分布圖

2.2 靜載試驗測點布置

a. 混凝土應(yīng)變測點布置.1-1截面處在掛梁各片T梁的腹板上布設(shè)應(yīng)變測點，具體位置如圖2(a)所示.T構(gòu)懸臂梁根部3-3截面測點布置如圖2(b)所示，T構(gòu)懸臂梁跨中4-4截面測點布置如圖2(c)所示.

b. 鋼筋應(yīng)變測點布置.鋼筋應(yīng)變測點均布置在1#、2#橋墩之間的4#梁上(從南往北)，兩測點布置在同一根鋼筋上.

c. 撓度測點布置.除布置機(jī)電位移計外，還使用數(shù)字水準(zhǔn)儀同步觀測掛梁的豎向撓度，測點布置如圖2(d)、圖2(e).

(a)1-1截面應(yīng)變測點布置(掛梁)

(b) 3-3截面應(yīng)變測點布置(懸臂梁根部)

(c)4-4截面應(yīng)變測點布置(懸臂梁中部)

(d)1-1截面撓度測點布置(掛梁)

(e)6-6截面撓度測點布置(懸臂梁端部)

2.3 加載車輛

在靜載試驗中，設(shè)計汽車荷載等級為原汽車-超20級，其中的重車(550 kN)很少見，為試驗方便，將其由兩輛300 kN汽車分別加載到300 kN、250 kN來代替(如圖3)，使其對測試截面產(chǎn)生與汽車-超20級重車相當(dāng)?shù)暮奢d效應(yīng).試驗車隊采用8輛東風(fēng)自卸車，其中4輛裝載后總重300 kN，另4輛裝載后總重250 kN，分偏載和中載兩種情況進(jìn)行加載.偏載采用六輛車加載，分三級加載，即累計荷載分別為50 %、80 %和100 %，中載采用8輛車加載，一次加載到100%荷載.

圖3 試驗車輛荷載

動載試驗采用一輛300 kN的載重汽車作為試驗荷載.

3 靜載試驗結(jié)果分析

在橋梁檢測試驗中，常用校驗系數(shù)(η)來評判橋梁承載能力和工作狀態(tài)，橋梁檢定試驗所得數(shù)據(jù)(應(yīng)力、撓度)與理論計算值(應(yīng)力、撓度)之比稱之為校驗系數(shù)，η大于1則說明結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度不足而不安全.在大多數(shù)情況下，η小于1，其值過大或過小都應(yīng)該仔細(xì)分析原因.值過小的原因可能是材料彈性模量高出設(shè)計值較多，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能好，計算理論或簡化計算偏于安全.根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》[7]附錄表1，對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，應(yīng)力校驗系數(shù)η=0.9～1.0，撓度校驗系數(shù)η=0.7～0.8，而對于鋼筋混凝土梁，應(yīng)力校驗系數(shù)η=0.4～0.8，撓度校驗系數(shù)η=0.5～0.9.

a. 撓度校驗系數(shù).掛梁跨中及T構(gòu)懸臂梁端部的撓度η均大于1.0，掛梁和T構(gòu)懸臂梁的剛度嚴(yán)重不足，彈性工作性能已經(jīng)受到影響，豎向剛度不滿足設(shè)計要求.

b. 應(yīng)變校驗系數(shù).掛梁跨中、T構(gòu)懸臂梁根部及跨中的應(yīng)變η均大于1.0，掛梁和T構(gòu)懸臂承載力不足.T構(gòu)橋墩的應(yīng)變η均接近1.0，說明T構(gòu)橋墩滿足強(qiáng)度要求，并有安全儲備.

c. 荷載橫向分布特性.截面1-1、3-3、4-4各應(yīng)變測點η分布非常不均勻，截面1-1、6-6各撓度測點η分布也不均勻，說明荷載橫向分布特性發(fā)生了明顯變化，結(jié)構(gòu)整體性已受到破壞.

4 動載試驗分析

在1-1截面、6-6截面處選取1#、3#、9#、10#撓度測點，以及14#鋼筋應(yīng)變測點共5個測點，作為動態(tài)測點.CCD數(shù)字圖像動態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)檢測點選在T構(gòu)懸臂梁端及掛梁跨中.

a. 跑車試驗：試驗汽車以10、20、30、40、60 km/h的速度勻速過橋產(chǎn)生激振.

b. 跳車試驗：試驗汽車以10、20 km/h的速度分別越過6-6截面(T構(gòu)懸臂梁端部)、1-1截面(掛梁跨中)橋面上設(shè)置的高4.5 cm的減速板激振.

通過測試，跑車工況下的沖擊系數(shù)測定值為1.30～1.63，接近或大于常值，說明該橋正常工作狀態(tài)下的動力性能較差.在跳車工況下沖擊系數(shù)為1.60～1.90，明顯增大，較多地大于常值，須保持橋面鋪裝平順，以利于橋梁結(jié)構(gòu)安全運營.

5 有限元仿真分析

5.1 有限元建模

建立了2#墩T構(gòu)以及2#墩與1#墩之間掛梁的有限元模型，其中混凝土采用六面體單元Solid65；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元，用降溫法考慮預(yù)應(yīng)力的作用.搭在1#墩上的掛梁做簡支處理，搭在T構(gòu)上的掛梁與T構(gòu)之間設(shè)置Combin14彈簧單元模擬橡膠支座.T構(gòu)另外一端承擔(dān)兩T構(gòu)之間掛梁一半的自重荷載作用，此時將此作用轉(zhuǎn)換為面力施加在T構(gòu)另一端，墩底固接[8-9].T構(gòu)自重1 186.21 kN，掛梁自重294.4 kN，總計自重1 480.6 kN.有限元模型如圖4(a).

T構(gòu)懸臂梁混凝土為C40，彈性模量為3.25×1010N/m2， T構(gòu)墩身及掛梁混凝土為C30，彈性模量為3.0×1010N/m2，混凝土質(zhì)量密度為2 600 kg/m3，泊松比0.167.預(yù)應(yīng)力鋼索彈性模量為1.95×1011N/m2，質(zhì)量密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3.預(yù)應(yīng)力鋼筋降溫值=控制應(yīng)力/(E×α)=237 ℃.

對于橋面鋪裝，本模型沒有加以考慮，只是在施加荷載的時候，作為橋面單元面力施加.網(wǎng)格劃分單元棱長在10～50 cm左右，可保證計算精度，共劃分為19 680個混凝土單元，2 440個預(yù)應(yīng)力鋼筋單元.模型網(wǎng)格劃分如圖4(b).

(a)模型示意圖

(b)有限元模型單元劃分圖

Fig.4 Schematic diagram of model and meshed element

5.2 試驗與有限元結(jié)果對比分析

a. T構(gòu)懸臂梁端位移對比分析.2#墩T構(gòu)懸臂端，偏載試驗最大變形的校驗系數(shù)為1.34，中載試驗為1.22，表明偏載和中載作用下，T構(gòu)受力狀況均較差.

b. 掛梁中位移對比分析.1#～2#墩間掛梁，偏載試驗中T構(gòu)懸臂梁端最大變形的η為1.41.有限元理論分析顯示在中載試驗中，掛梁跨中位移檢測值比計算值要大許多，掛梁已經(jīng)進(jìn)入非線性工作狀況，承載力儲備不足.4#梁的位移測試值和理論分析值如圖5.

c. 各掛梁位移橫向分布對比分析.位移的橫向分布檢測結(jié)果顯示邊梁以及4#梁位移偏大，說明整個掛梁的連接較差， 4#梁損傷大于其它梁.

(a)4#梁西

(b)4#梁中

Fig.5 Experimental and theoretical displacement (beam 4#)

6 結(jié) 語

經(jīng)過該橋的靜動載試驗，得出如下結(jié)論：

a. 校驗系數(shù)均接近或大于規(guī)范中的常值，這說明該橋剛度、承載力不足，彈性工作性能已經(jīng)受到影響，豎向剛度不滿足設(shè)計要求.

b. 掛梁部分荷載橫向分布特性發(fā)生了明顯變化，結(jié)構(gòu)整體性已受到破壞.

c. 沖擊系數(shù)測定值接近或大于常值，動力性能不是很好，在跳車工況下動力系數(shù)明顯增大，均大于規(guī)范計算值較多，因此必須保持橋面鋪裝平順，以利于橋梁結(jié)構(gòu)安全運營.

總的來說，該橋存在較大的安全隱患，需要進(jìn)行大修，以滿足安全營運的需要.

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