胡鐵明, 褚博琦, 吳憲鍇, 張 晗

(1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽110044;2.遼寧交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽110005)

0 引 言

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展,新建橋梁在不斷修建的同時(shí)對已有在役橋梁進(jìn)行科學(xué)的承載能力的評估,以達(dá)到減少安全事故的意外發(fā)生以及提高在役橋梁的使用效率的目的有著非常重要的作用。橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)苡行У慕鉀Q對在役橋梁承載能力評估及可靠新鑒定的問題[1-2]。橋梁荷載試驗(yàn)主要是通過檢測橋梁結(jié)構(gòu)在受到靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和主要控制截面內(nèi)力變化情況,再利用檢測鑒定結(jié)果確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)期望要求。通過動(dòng)載試驗(yàn)檢測橋梁結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性及動(dòng)力性能,以達(dá)到檢查橋梁動(dòng)響應(yīng)能力是否滿足設(shè)計(jì)使用要求的目的。與此同時(shí)還能作為橋梁的信息檔案,為橋梁的運(yùn)營及管理提供信息或參考依據(jù),為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)維修、監(jiān)測加固等積累技術(shù)資料[3-5]。

1 橋梁概況

依托某高速路段一區(qū)間內(nèi)在役預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁橋,該橋于1999年建成。全橋跨徑布置為9×(4×40m+3×40m+1×40m+2×15.205m+1×40m,橋梁全長1693.5m。橋面凈寬為10.75m,內(nèi)、外側(cè)分別 設(shè)0.65m和0.50m的防 撞墻。測試區(qū)段交角為90°,上部結(jié)構(gòu)為40m預(yù)應(yīng)力砼I形組合梁,每孔各6片主梁,梁頂現(xiàn)澆23cm厚鋼筋砼橋面板,縱橋向設(shè)置9道橫隔梁,為先簡支后橋面連續(xù)體系。

設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20級、掛車-120。

2 有限元模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙,采用橋梁通用分析軟件Midas/civil建立結(jié)構(gòu)分析模型,利用空間梁單元進(jìn)行計(jì)算,材料為C50混凝土。在Midas/civil中嚴(yán)格遵守JTG(RC)規(guī)范中C50混凝土的材料屬性。通過Midas/civil導(dǎo)出各控制斷面內(nèi)力影響線,根據(jù)影響線加載原理,通過工況優(yōu)化得到最優(yōu)的加載方案。模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)原理

靜載試驗(yàn)利用內(nèi)力等效原則在橋梁結(jié)構(gòu)測試截面上施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載。靜態(tài)荷載施加穩(wěn)定后,利用提前布置的采集設(shè)備對橋梁結(jié)構(gòu)控制截面位置在靜載過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。主要測試內(nèi)容有撓度、應(yīng)變等參數(shù)。

3.2 加載方式

為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中的受力變化關(guān)系,同時(shí)防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生意外損傷,保證橋梁和人員安全,試驗(yàn)采用分級加載的方式。分級加載的方式能有效的采集當(dāng)級加載過程中的有效數(shù)據(jù),并且能夠有時(shí)間觀察在加載過程中橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。如果試驗(yàn)過程中橋梁發(fā)生異常能及時(shí)查明原因。

3.3 測試截面選取

試驗(yàn)截面選取采用內(nèi)力等效原則。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖以及結(jié)構(gòu)本身的狀況等原則,按照最不利受力原則確定加載工況以及測試截面。試驗(yàn)的試驗(yàn)工況為邊主梁最大正彎矩偏載試驗(yàn),主要測試截面為B40附加測試截面為A40和C40。主要測試截面為B40附加測試截面為A40和C40。截面選取如圖2所示。

圖2 測試截面位置圖

3.4 測試截面測點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果,需要對試驗(yàn)荷載作用下測試截面撓度測點(diǎn)及應(yīng)變測點(diǎn)進(jìn)行布置。在測試截面的底部位置布置撓度測試點(diǎn),應(yīng)變測試點(diǎn)布置在橋梁底部且沿梁高的方向。測點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如下表1所示。

表1 測試截面測點(diǎn)數(shù)量

3.5 加載方式及加載車輛布置

3.5.1 加載方式

正式加載時(shí)按照計(jì)算車輛的加載位置逐級加載,期間及時(shí)記錄并存儲(chǔ)每級荷載下的測量數(shù)據(jù),直至荷載效率滿足規(guī)范要求。最后進(jìn)行卸載,讀取卸載讀數(shù)。

3.5.2 加載車輛布置

為保障橋梁結(jié)構(gòu)及加載車輛在試驗(yàn)過程中的安全,試驗(yàn)采用逐級遞增的加載方式,逐級遞增的加載方式能有效的提高試驗(yàn)效率,保證試驗(yàn)安全。根據(jù)橋梁模型計(jì)算結(jié)果,確定在不同分級荷載作用下的加載車輛布置。

3.6 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.6.1 試驗(yàn)荷載效率分析

靜載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)橋梁在接近控制荷載作用下結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的作用效應(yīng)。要求橋梁主要控制截面在試驗(yàn)荷載作用下所產(chǎn)生的作用效應(yīng)與在控制荷載作用下產(chǎn)生的效應(yīng)接近。靜載試驗(yàn)過程的荷載效率如表2所示。

表2 靜載試驗(yàn)荷載效率

3.6.2 撓度結(jié)果分析

試驗(yàn)前在控制截面處沿梁高方向粘貼光電撓度儀專用的光電靶標(biāo),試驗(yàn)過程中測試人員在橋下使用光電撓度儀對橋梁結(jié)構(gòu)的撓度數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于表3

表3 B1-B6實(shí)測值及理論值(單位:mm)

3.6.3 應(yīng)變結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中利用DH3820多通道應(yīng)變采集設(shè)備在橋上對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)在三級加載作用下所測得應(yīng)變實(shí)測值及理論值見表4

表4 B1-B6實(shí)測值及理論值(單位:με)

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載試驗(yàn)原理

動(dòng)載試驗(yàn)是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到外界環(huán)境荷載以及動(dòng)力荷載激振作用下促使橋梁受迫振動(dòng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。在此過程中主要對橋梁受迫震動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)自振頻率及沖擊系數(shù)進(jìn)行采集,同時(shí)應(yīng)在此過程中觀察結(jié)構(gòu)的反應(yīng)現(xiàn)象。從而得出橋梁結(jié)構(gòu)在受到動(dòng)力荷載作用下的性能狀況。動(dòng)力響應(yīng)測試試驗(yàn)選在預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁進(jìn)行,采用環(huán)境隨機(jī)激振法進(jìn)行測試橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向彎曲振動(dòng)特性,即頻率。

4.2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

試驗(yàn)在試驗(yàn)孔跨中位置各放置一個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行測試,在測試過程中測試人員在橋上采集動(dòng)載數(shù)據(jù)。

4.3 測試內(nèi)容

動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)的主要測試內(nèi)容為橋梁上部結(jié)構(gòu)的自振頻率、橋梁在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)應(yīng)變以及橋梁的沖擊系數(shù)。

4.3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)自振頻率測試

在測試過程中為了防止其它過往車輛對測試結(jié)果造成影響,在此試驗(yàn)過程前對測試路段采用封閉重車道和應(yīng)急車道,開放超車道交通的形式進(jìn)行交通管制。隨后加載車輛在應(yīng)急車道進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后立即解除封道。測試結(jié)果如下表5示。

表5 上部結(jié)構(gòu)自振頻率

4.3.2 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)

依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的最不利工況選取橋梁的最大彎矩截面為測試斷面。檢測橋梁測試位置在受到移動(dòng)車輛荷載情況下橋梁的動(dòng)響應(yīng)能力。

沖擊系數(shù)的測量值與理論結(jié)果的數(shù)值對比如表6所示。

表6 擊系數(shù)結(jié)果表

5 結(jié) 論

(1)靜載試驗(yàn)作用下簡支工字梁跨中最大正彎矩工況試驗(yàn)效率為1.00,滿足測試要求。簡支梁跨中最大正彎矩控制截面的主要控制測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1,表明橋梁實(shí)際工作狀況優(yōu)于理論狀況。簡支梁控制截面的撓度和應(yīng)變與其理論值呈線性關(guān)系,且實(shí)測相對殘余變形和相對殘余應(yīng)變均小于20%,結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀況。

(2)在動(dòng)載測試的過程中預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁橋?qū)崪y第一階自振頻率均大于理論值,反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。在車速10km/h～50km/h行車作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力增大效應(yīng)小于理論狀況,車速60km/h行車作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力增大效應(yīng)大于理論狀況。移動(dòng)荷載作用下橋梁控制截面所受動(dòng)應(yīng)變基本呈上升變化趨勢。

(3)試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁橋在受到靜力及動(dòng)力荷載作用下滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)橋梁處于彈性工作狀態(tài),無其它不穩(wěn)定狀況發(fā)生,動(dòng)力性能較好且具有良好的剛度。