橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)分析與研究

危媛丞

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)分析與研究

危媛丞

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

對金砂-汕樟立交橋的荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立三維有限元模型,對相應(yīng)工況進(jìn)行模擬,通過模型計(jì)算值與實(shí)測撓度、應(yīng)變與頻率各參數(shù)的對比和分析,了解橋梁結(jié)構(gòu)在各種作用力下的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況,判別已建橋梁符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),滿足使用要求。測試結(jié)果可以為有限元模型修正提供依據(jù),同時(shí)也為橋梁使用狀態(tài)評估、健康監(jiān)測提供較可靠的基準(zhǔn)模型。

橋梁結(jié)構(gòu);靜載試驗(yàn);動(dòng)載試驗(yàn);有限元分析

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,橋梁工程作為基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要部分得到了迅猛的發(fā)展,其安全性越來越引起人們的關(guān)注。為了確保橋梁的安全性,定期檢查是必要的[1-2]。目前,大型橋梁和結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注和重視,成為橋梁研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[3-4]。檢測橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是評定橋梁運(yùn)營質(zhì)量最直接和最有效的辦法(并為橋梁的安全使用提供可靠依據(jù))。橋梁荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn),靜載試驗(yàn)可以檢測與橋梁結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的參數(shù)(主要包括撓度、應(yīng)變、裂縫、曲率、傾角等[5]),而動(dòng)載試驗(yàn)則對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(評價(jià)橋梁的動(dòng)力特性[6]),并與結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)進(jìn)行比較,以便了解結(jié)構(gòu)因累積損傷而造成的改變[7]。試驗(yàn)的進(jìn)行應(yīng)遵從中國現(xiàn)行的《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》[8](以下簡稱《試驗(yàn)方法》)、《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(合訂本)》。

1 工程概況

金砂—汕樟立交橋在汕頭市金砂路和汕樟路的交叉口,1990年7月竣工。主橋上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形連續(xù)等厚板,下部采用雙圓柱墩。引橋上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土變截面連續(xù)板,下部采用三圓柱墩和板式橋臺。S—N線的跨徑組合為(6+8 +8+8+6)+(11+14+14+20+ 14+14+11)+(6+8+8+8+6)m, W—E線的跨徑組合和S—N線相同(具體見圖1和圖2),橋面設(shè)計(jì)載荷為公路Ⅰ級汽車荷載,載荷人群3.5 kN/ m2[8]。

與其他橋梁相比,本試驗(yàn)橋梁最大特點(diǎn)是其橋面為一次性澆筑的整體式連續(xù)板梁,整體式板梁橋一般跨徑為10 m左右,本橋最大跨徑達(dá)到20 m,為大跨度整體式板梁橋,且該整體式板梁橋外形不規(guī)則,為斜交異型板梁橋。

圖1 金砂-汕樟立交立面圖Fig.1 Elevation of Jinsha-Shanzhang overpass

2 靜載試驗(yàn)

2.1 靜載的檢測內(nèi)容

該橋梁上部結(jié)構(gòu)為不規(guī)則連續(xù)整體式板梁,采用有限元軟件M IDAS建模時(shí),需用板單元對其進(jìn)行模擬,在中間支座處,梁與墩節(jié)點(diǎn)采用限制豎向位移的彈性連接約束方式。由于橋梁為連續(xù)板梁橋,因此在對此橋進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)需要對最大負(fù)彎矩工況進(jìn)行計(jì)算分析;相對于一般整體式板梁橋,該橋跨徑較大,在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)不僅要計(jì)算跨中荷載工況,而且要分級計(jì)算多個(gè)荷載工況的最不利情況,以確定橋梁的安全性。

選取S2#墩和S1#墩之間14 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面A-A截面、S1#墩處的最大負(fù)彎矩加載斷面B-B截面、S1#墩和N 1#墩之間20 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面C-C截面進(jìn)行了靜載試驗(yàn),如圖3所示。其檢測內(nèi)容如下。

1)測試2個(gè)工況下的各級試驗(yàn)荷載作用下截面A-A,C-C處的應(yīng)變及撓度變化情況;

2)測試截面B-B處在各級試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變變化情況。

圖2 金砂-汕樟立交平面圖Fig.2 Plan of Jinsha-Shanzhang overpass

圖3 靜載試驗(yàn)加載截面圖Fig.3 Loading surface in static loading test

2.2 試驗(yàn)加載方案及結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

公路橋梁靜載試驗(yàn)采用公路Ⅰ級荷載加載。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(合訂本)》,采用有限元軟件M IDAS對該橋的設(shè)計(jì)活荷載作用下的內(nèi)力與變形進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果作為理論值;根據(jù)規(guī)范布載,計(jì)算得出設(shè)計(jì)彎矩;通過在荷載效率范圍內(nèi)進(jìn)行不斷的試算,定出車輛布載的位置,計(jì)算得出試驗(yàn)彎矩。

靜載試驗(yàn)時(shí),采用4輛質(zhì)量約340 kN的加載車輛作為試驗(yàn)荷載,考慮現(xiàn)場組織標(biāo)準(zhǔn)車隊(duì)困難,采用彎矩等效原則。本試驗(yàn)“工況一”按圖4的試驗(yàn)載位進(jìn)行加載,計(jì)算在該試驗(yàn)荷載作用下,S2#墩和S1#墩之間14 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面A-A截面的試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)荷載效率;“工況二”按類似于圖5的試驗(yàn)載位進(jìn)行加載,車后軸距S1#墩200 cm,計(jì)算S1#墩處的最大負(fù)彎矩加載斷面B-B截面的試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)荷載效率;“工況三”試驗(yàn)載位與“工況一”類似,兩側(cè)車后軸間距440 cm,則計(jì)算S1#墩和N 1#墩之間20 m橋跨跨中最大正彎矩加載斷面C-C截面的試驗(yàn)彎矩和試驗(yàn)荷載效率。結(jié)果見表1,試驗(yàn)荷載效率接近于1,表明滿足《試驗(yàn)方法》的要求。

表1 各工況下的控制面參數(shù)Tab.1 Parametersof control plane in each wo rking condition

本次試驗(yàn)加載采用對稱加載,加載分為二級加載,一級加載車輛為①、②,二級加載車輛為①、②、③、④,圖3、圖4中數(shù)據(jù)表示加載車輛編號和距離。

2.3 靜載試驗(yàn)的測點(diǎn)布置

對于該橋,依據(jù)《試驗(yàn)方法》要求,沿14 m和20 m共2個(gè)試驗(yàn)橋跨撓度,提高測點(diǎn)17個(gè),應(yīng)變測點(diǎn)15個(gè),具體布置見圖6和圖7。

2.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

1)撓度數(shù)據(jù)及分析

表2篩選出“工況一”和“工況三”最大實(shí)測撓度及相應(yīng)的理論撓度值。圖8為“工況一”沿橋不同方向?qū)崪y撓度與理論計(jì)算撓度比較圖。

表2 實(shí)測撓度與理論撓度對比Tab.2 Comparative statement on experimental and theoretic deflection

從表2及圖8可以看出,沿橋不同方向的實(shí)測撓度值均稍小于理論值,實(shí)測撓度曲線與理論計(jì)算撓度曲線吻合較好,撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.7～1. 0,相對殘余均小于0.2,滿足《試驗(yàn)方法》條件,說明在試驗(yàn)荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)較好地處于彈性工作狀態(tài),基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)應(yīng)變數(shù)據(jù)及分析

圖9為“工況一”14 m跨中在第2級試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變比較圖,各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變與理論值匯于表3。

圖9中顯示的各級荷載作用下的實(shí)測應(yīng)變曲線規(guī)律性較明顯,在各級加載作用下,實(shí)測應(yīng)變隨荷載增大線性地增加,反映出在試驗(yàn)荷載作用下,該橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。通過以上數(shù)據(jù)分析可得各個(gè)測點(diǎn)在二級試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均在區(qū)間[0.7,1.05]內(nèi),表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求;相對殘余應(yīng)變小于20%,表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),滿足《試驗(yàn)方法》條件[7]。

圖9 14 m跨中截面實(shí)測應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變比較圖Fig.9 Comparison of experimental and theo retic strain on the section of 14 m midspan

表3 實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變對比表Tab.3 Comparative statement on experimental and theo retic strain

3 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,如固有頻率、阻尼系數(shù)和振型等,只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān),是結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的基本特征;另一方面,橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際動(dòng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)各部位的動(dòng)力響應(yīng),如振幅、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、加速度以及反映結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力作用的沖擊系數(shù)等,不僅反映了橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的受力狀態(tài),也反映了動(dòng)力作用對駕駛員和乘客舒適性的影響。結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間一旦有較大的損傷(如梁體開裂、基礎(chǔ)狀態(tài)惡化等),結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)(如頻率、阻尼等)將會(huì)出現(xiàn)較大的變化。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本橋動(dòng)載試驗(yàn)擬通過模態(tài)試驗(yàn)、脈動(dòng)試驗(yàn)、行車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)測定橋梁的自振特性和作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的受迫振動(dòng)特性(如強(qiáng)迫振動(dòng)由移動(dòng)簡諧力即汽車慣性力引起[10]),以評價(jià)大橋的最大動(dòng)力響應(yīng),分析結(jié)構(gòu)有無較大缺陷。動(dòng)載試驗(yàn)是采用一臺質(zhì)量約為35.7 t的汽車,按如下4種工況進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn):1)在橋面上,汽車分別以20,30和40 km/h的行駛速度“跑車”使橋梁產(chǎn)生受迫振動(dòng),測量橋梁的振動(dòng)頻率和振幅;2)在橋面上,汽車分別以20和30 km/h的行駛速度“跑車”,在跨中緊急剎車使橋梁產(chǎn)生受迫振動(dòng),測量橋梁的振動(dòng)頻率和振幅;3)試驗(yàn)跨的跨中位置,汽車后輪從約15 cm高的墊木上自由下落對橋梁產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng),測量橋梁的固有振動(dòng)頻率和阻尼;4)在無車輛通行時(shí),橋梁受環(huán)境自然激勵(lì),測量橋梁的固有振動(dòng)頻率。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析

橋梁受環(huán)境自然激勵(lì),實(shí)測脈動(dòng)振動(dòng)信號的典型頻譜分析如圖10所示,并將各種動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測的數(shù)據(jù)結(jié)果匯成表4。

金砂—汕樟立交第1階特征頻率的理論值為5.820 Hz(如圖11),實(shí)測橋梁振動(dòng)頻率為6.054 Hz,實(shí)測的頻率大于理論值,表明實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度比設(shè)計(jì)要求的整體剛度大;實(shí)測阻尼系數(shù)小于0.05,表明結(jié)構(gòu)整體彈性性能良好,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 1#測點(diǎn)自然脈動(dòng)動(dòng)撓度頻譜圖(f=6.054 Hz)Fig.10 Frequency spectrum on dynamic deflection of measuring point 1 w ith natural oscillation(f=6.054 Hz)

表4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果匯總表Tab.4 Summary sheet of results in dynamic loading test

圖11 理論計(jì)算的第1階豎彎振型圖Fig.11 First order shape of theoretical vertical curved vibration

4 結(jié) 語

綜合靜載和動(dòng)載試驗(yàn)檢測結(jié)果及分析可知,測試跨橋梁目前工作狀況正常,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及抗裂性能均符合《試驗(yàn)方法》中所規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)要求,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),其承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的正常使用要求,可投入正常營運(yùn)。測試結(jié)果可以為有限元模型修正提供依據(jù),同時(shí)也為此類大跨度整體式板梁橋使用狀態(tài)評估、健康監(jiān)測提供較可靠的基準(zhǔn)模型。

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Analysis of loading test of bridge structure

WEI Yuan-cheng
(School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

This paper aim s to demonstrate the built bridge still in accordance w ith design standards and satisfying the use requirement through analyzing the resultsof loading teston Jinsha-Shanzhang overpass.According to design information,a theoreticalmodel is built fo r simulating each condition w ith the finite element analysis software M idas-Civil.A comparison is carried out over parameters such as deflection,strain and frequency to detect the actualmechanical behavio r and operating condition of bridge structure under various working forces.The experimental results can p rovide basis and references for the rectification of finite elementmodel and final accep tanceof construction,also for the evaluation of service behavior and healthmonito ring of the bridge.

bridge structure;static loading test;dynamic loading test;finite element analysis

U 446

A

1008-1542(2010)06-0578-06

2010-05-21;責(zé)任編輯:馮 民

危媛丞(1986-),女,江西宜春人,碩士研究生,主要從事橋梁監(jiān)測與地下結(jié)構(gòu)方面的研究。