泰東河臺(tái)廣大橋工程荷載試驗(yàn)分析研究

戴兆婷 何繼業(yè)

（江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029）

0 引言

橋梁施工完畢后，檢驗(yàn)成橋后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，掌握其在荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，有利于日后工程的順利運(yùn)營(yíng)，而要掌握橋梁在荷載作用下的正常使用狀態(tài)極限承載力和動(dòng)力特性非常復(fù)雜，這就意味著評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)變得更加重要。因此，橋梁的荷載試驗(yàn)［1］研究顯得尤為重要。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大型有限元程序的出現(xiàn)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析提供了足夠的便利。最近幾十年間，荷載試驗(yàn)計(jì)算分析研究從二維線性分析方法發(fā)展到現(xiàn)在的三維非線性分析方法，獲得了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了大跨度橋梁的非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析方法，能全面考慮材料、結(jié)構(gòu)幾何特性和結(jié)構(gòu)的非線性等因素。

一直以來(lái)，橋梁的荷載試驗(yàn)分析都假設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)荷載參數(shù)是完全確定的，故屬于理論性分析。然而，在實(shí)際中，很多參數(shù)都是不確定的，如：材料特性、幾何尺寸、荷載的分布和大小等。理論性分析沒(méi)有考慮這些不確定因素在荷載實(shí)際作用過(guò)程中的影響，不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。因此，這就需要應(yīng)用可靠度方法來(lái)進(jìn)行有限元分析和脈動(dòng)分析。

筆者基于有限元分析理論和脈動(dòng)分析方法，提出了更為優(yōu)化的橋梁荷載試驗(yàn)方案，并以臺(tái)廣大橋?yàn)槔?，建立有限元分析模型，?duì)其進(jìn)行了理論數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析。

1 分析方法

1.1 有限元分析方法

利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 建立空間有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。按規(guī)范取2 車道進(jìn)行加載試驗(yàn)。橋梁有限元模型如圖1 所示，設(shè)計(jì)荷載作用下彎矩包絡(luò)圖如圖2 所示，根據(jù)橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖，確定各測(cè)試控制截面見(jiàn)圖3。

圖1 主橋模型圖

圖2 主橋彎矩包絡(luò)圖

圖3 試驗(yàn)控制截面布置圖

1.2 脈動(dòng)分析方法

在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，通過(guò)高靈敏度動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定橋址處因風(fēng)、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)，獲得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特征。加速度傳感器布設(shè)在橋面兩側(cè)，測(cè)點(diǎn)的布置方式如圖4 所示。

1.3 車輛激勵(lì)分析方法

1.3.1 行車試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)車以一定車速勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，其在行駛過(guò)程中對(duì)橋面產(chǎn)生沖擊作用，將使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。通過(guò)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定測(cè)試截面處的動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程曲線，可測(cè)得在行車條件下的振幅響應(yīng)、動(dòng)應(yīng)變及沖擊系數(shù)。

1.3.2 剎車試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)車以一定車速勻速行駛至測(cè)試斷面時(shí)實(shí)施緊急剎車，其產(chǎn)生較大的制動(dòng)力將對(duì)橋梁形成一定的沖擊作用。通過(guò)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定1/4 測(cè)點(diǎn)的振幅響應(yīng)、動(dòng)應(yīng)變及沖擊系數(shù)。

1.3.3 跳車試驗(yàn)

在橋梁1/4 截面處橋面設(shè)置高度為4 cm 的障礙物，模擬橋面鋪裝的局部不平整或損傷狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，由標(biāo)準(zhǔn)車以一定車速勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，其在跨越障礙時(shí)將對(duì)橋梁形成沖擊作用，激起橋梁較大的豎向振動(dòng)。通過(guò)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定橋梁在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

泰東河臺(tái)廣大橋工程位于泰東河樁號(hào)4+050 處，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí)，主橋?yàn)橥ê娇祝鐝?×70 m，主橋橋面總寬12.4 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土系桿拱，計(jì)算跨徑為L(zhǎng)=68 m，矢高f＝13.6 m，矢跨比為1/5，下部結(jié)構(gòu)為分離式樁基承臺(tái)基礎(chǔ)，柱式橋墩，見(jiàn)圖5。

上部結(jié)構(gòu)主橋拱肋鋼管內(nèi)壓注C40 微膨脹混凝土，系桿、橫梁采用C50 混凝土，引橋板梁采用C50 混凝土；下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)采用C25 混凝土，墩柱及蓋梁采用C30 混凝土。系桿和端橫梁現(xiàn)澆，中橫梁預(yù)制吊裝現(xiàn)澆濕接頭。

圖4 主橋脈動(dòng)試驗(yàn)傳感器橋面布置示意圖

圖5 臺(tái)廣大橋主跨立面示意圖

2.2 靜載試驗(yàn)分析結(jié)果

由表1可知，在試驗(yàn)荷載作用下：①各工況加載下主橋各控制截面撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求；②各撓度控制截面的最大實(shí)測(cè)撓度為-11.6 mm，小于規(guī)范規(guī)定的L/600，表面結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

由表2可知，主橋位移測(cè)試控制截面卸載后相對(duì)殘余變形均在《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的20%范圍以內(nèi)，表明卸載之后結(jié)構(gòu)的變形能夠及時(shí)恢復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

由表3～5可知，在試驗(yàn)荷載作用下，主橋各測(cè)試截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)分析結(jié)果

由表6可知，橋梁一階實(shí)測(cè)自振頻率值均略大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求。自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，本次試驗(yàn)橋梁一階自振頻率實(shí)測(cè)值為2.25 Hz，因此，該特征參數(shù)可作為今后定期檢查的一個(gè)參考指標(biāo)。由表7可知，在不同速度勻速跑車作用下，橋梁各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，剎車較跑車時(shí)動(dòng)應(yīng)變有所增加，跳車較跑車時(shí)動(dòng)應(yīng)變?cè)黾用黠@，說(shuō)明保持橋面平整通暢對(duì)于減小沖擊荷載很重要。

表1 各工況作用下測(cè)點(diǎn)撓度數(shù)據(jù)分析表

表2 各工況作用下各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形表

表3 工況1 作用下各截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析表

表4 工況2 作用下主橋各截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析表

表5 工況3 作用下主橋各截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析表

表6 自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表

3 結(jié)論

筆者基于有限元計(jì)算分析方法和現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)測(cè)試分析方法，提出了荷載試驗(yàn)方案，并以臺(tái)廣大跨度懸索橋?yàn)楣こ虒?shí)例，計(jì)算了橋梁在等效荷載作用下各參數(shù)的理論值，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加載狀態(tài)下各參數(shù)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：臺(tái)廣大橋受力性能和正常使用狀態(tài)極限承載力滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路Ⅱ級(jí)要求，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，符合通車條件。

［1］崔國(guó)宏，沈東強(qiáng)，高麗，等.新保安大橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007（8）：5-7.