某空心板簡支梁橋荷載試驗(yàn)分析

伍成忱

摘 要：本文針對某空心板簡支梁橋利用MIDAS進(jìn)行理論建模和分析，并進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)檢測，并利用橋梁計(jì)算軟件MIDAS進(jìn)行理論建模和分析。通過理論計(jì)算和荷載試驗(yàn)，對該橋的健康狀況作出了評價，為該橋的正常運(yùn)營提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：空心板；簡支梁橋；荷載試驗(yàn)

1 引言

對橋梁使用安全的重視，可以有效地防止橋梁事故的發(fā)生。當(dāng)橋梁出現(xiàn)病害時，應(yīng)采取有效的措施進(jìn)行處理。本文以某出現(xiàn)病害的橋梁為研究對象，針對該橋可能存在絞縫完全破壞的情況設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)，結(jié)合理論計(jì)算與現(xiàn)場調(diào)查對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估，并提出有效的養(yǎng)護(hù)建議，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營。

1工程概況

1.1橋梁概況

改橋上部結(jié)構(gòu)采用1×10m斜交鋼筋混凝土空心板，斜交角20°。單幅橋梁共采用12塊空心板，橋面寬12.5m，車道設(shè)計(jì)為單向三車道?？招陌宀捎?0號鋼筋混凝土?？招陌辶焊?2cm，邊板底板寬0.99m，翼緣板寬0.25m，中板底板寬0.99m，橋臺采用重力式橋臺。該橋于2004年建成通車。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級，掛車-120，實(shí)際運(yùn)營荷載為城市-A級。

該橋空心板的橫向連接采用的是小鉸縫形式。選取了8#～9#板、2#～3#板間跨中位置處鉸縫進(jìn)行開槽核實(shí)。從實(shí)測情況來看，兩處鉸縫均設(shè)有直徑為10mm、間距為20cm的預(yù)埋鋼筋，8#～9#板間鉸縫寬8.9cm，2#～3#板間鉸縫寬9.0cm，均為小鉸形式，這與設(shè)計(jì)圖紙是吻合的。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝存在多條縱向貫通裂縫，2#板～9#板間鉸縫位置處最為明顯；空心板間存在多處鉸縫脫落，且鉸縫間滲水泛堿嚴(yán)重，導(dǎo)致橋梁正下方路面長時間泥濘；超重車過橋時，空心板下?lián)戏容^大，梁體出現(xiàn)非正常的振動，與2#板～9#板間鉸縫位置處橋面鋪裝出現(xiàn)縱向貫通裂縫這一現(xiàn)象相對映。

2 荷載布置及荷載試驗(yàn)

2.1 理論計(jì)算

利用MIDAS有限元分析軟件，將橋梁橫向劃分為12片空心板，縱向劃分為1m網(wǎng)格，整個模型梁單元120個，節(jié)點(diǎn)132個，建立有限元模型。針對2#、3#空心板絞縫破損嚴(yán)重，選取偏載工況下對2#、3#板最不利狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。對該橋進(jìn)行特征值計(jì)算，通過有限元分析，該簡支空心板橋的第1階頻率為：f1=10.22Hz。

2.2靜載試驗(yàn)

通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)與理論計(jì)算值是否有較大差異。靜力加載時各梁跨中界面下緣應(yīng)變橫橋向分布數(shù)據(jù)見圖1。

在試驗(yàn)荷載作用下，該橋測試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.91，實(shí)測應(yīng)力值均小于理論計(jì)算值，3#～8#空心板測點(diǎn)應(yīng)變荷載效率在0.80～0.91之間，與其它板先比明顯偏大，卸載完畢后，測試截面最大相對殘余為10.53%。測試結(jié)果表明該試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但橋梁整體工作性能較差。

根據(jù)實(shí)測撓度數(shù)據(jù)與理論模型計(jì)算數(shù)據(jù)對比，計(jì)算各撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)。靜力加載時各撓度測點(diǎn)見表1。

在試驗(yàn)荷載作用下，該橋測試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.66～1.02， F2、F3測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在1.01～1.02范圍內(nèi)，兩測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均已經(jīng)超過1.0，卸載完畢后，測試截面最大相對殘余變形為16.53%。測試結(jié)果表明該試驗(yàn)橋跨工作性能較差，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)剛度不滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

2.3動載試驗(yàn)

動力荷載試驗(yàn)的目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能，該性能是判斷橋梁運(yùn)營狀況和承載能力的重要指標(biāo)之一。利用動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集脈動狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。橋梁動力特性檢測，包括固有頻率、阻尼比；橋梁測試截面動力響應(yīng)檢測，包括動應(yīng)變、振動加速度、沖擊效應(yīng)。

試驗(yàn)橋跨實(shí)測一階豎向自振頻率為10.510Hz，理論自振頻率為10.221Hz，實(shí)測值大于理論值，比值為1.028，表明試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。

跑車試驗(yàn)采用1#加載車居中勻速通過橋梁對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，跑車速度為20km/h～50km/h，跑車均為橋面無障礙試驗(yàn)。剎車試驗(yàn)采用1#加載車居中勻速行駛（40km/h），在測試截面緊急制動。跑車和剎車試驗(yàn)動力響應(yīng)實(shí)測結(jié)果見表2。

20km/h、30km/h、40km/h、50km/h單車跑車試驗(yàn)、40km/h剎車試驗(yàn)，測試截面實(shí)測振動加速度為0.068m/s2～0.124m/s2，測試截面的實(shí)測振動加速度較小。實(shí)測應(yīng)變增大系數(shù)在1.102～1.381之間，測試截面的沖擊效應(yīng)隨車速的增加而增大，動態(tài)增量較明顯，沖擊較大。加載車在測試截面緊急制動，測試截面的動應(yīng)變以及振動加速度響應(yīng)正常，剎車后橋梁的豎向振動能量消耗較慢，振動較慢地趨于平穩(wěn)。

綜上所述：該橋?qū)崪y豎向自振頻率大于理論值，橋梁實(shí)際剛度大于理論剛度，汽車荷載對橋梁的沖擊效應(yīng)與規(guī)范建議值接近，實(shí)測動應(yīng)變幅值較大。試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)動力性能正常，基本滿足橋梁正常使用的要求。

3 結(jié)論

根據(jù)理論分析和現(xiàn)場調(diào)查、荷載試驗(yàn)結(jié)果，對該橋綜合評定得出以下結(jié)論：

（1）通過理論分析，考慮橋梁單板受力狀態(tài)，該橋主體結(jié)構(gòu)當(dāng)前承載能力不滿足“城-A級”荷載等級的要求；

（2）通過對該橋的現(xiàn)場檢測調(diào)查，該橋整體技術(shù)狀況等級為D級為不合格狀態(tài)，應(yīng)立即進(jìn)行中修或大修工程；

（3）通過該橋現(xiàn)場荷載試驗(yàn)評估該橋安全等級評定為“不合格等級”：橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，影響橋梁安全，建議立即對右幅橋進(jìn)行大修，對左幅橋進(jìn)行耐久性加固處治。