雅魯河大橋靜動載試驗及分析

雅魯河大橋靜動載試驗及分析

葛貝德

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150081)

摘要：對黑龍江省碾景公路雅魯河大橋進(jìn)行靜載試驗和動載試驗，根據(jù)主梁靜載試驗、墩臺靜載試驗以及橋梁動載試驗測試數(shù)據(jù)，對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度作出評估，測試結(jié)果表明該橋的強(qiáng)度儲備較弱，甚至出現(xiàn)承載力不足的情況，并據(jù)此對該橋的后期維修加固提出了可行的建議，可為同類型的工程提供參考。

關(guān)鍵詞：舊橋檢測；荷載試驗；結(jié)構(gòu)評定

作者簡介：葛貝德，碩士，講師，哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與檢測加固。

文章編號：1672-6758(2015)07-0046-5

中圖分類號：U448.21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Static and dynamic load tests of the Yalu River Bridge in Heilongjiang are carried out. According to the static load test results of the girder and pier, and the bridge dynamic load test , we made a evaluation of the bridge structure bearing capacity and stiffness . The results show that the strength of the bridge is weak, and even the bearing capacity is insufficient. Based on those tests, some suggestions for the later maintenance and reinforcement of the bridge are proposed, which can provide some reference for the same type of bridge project.

1工程概況

黑龍江省齊齊哈爾市碾景公路雅魯河大橋上部結(jié)構(gòu)為17×20米鋼筋混凝土T梁，橋梁全長344米。橋面凈寬為7m+2×1m人行道，設(shè)計荷載為汽車—15級，掛車—80級，為1982年9月12日竣工的舊橋。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩。全橋外觀見圖1。

通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩臺進(jìn)行靜動荷載試驗，以確定該橋能否繼續(xù)使用，確定橋梁的技術(shù)狀況等級，分析和評價既存缺陷和損傷對橋梁質(zhì)量和使用承載能力的影響，為確定結(jié)構(gòu)維修、加固或更換的優(yōu)先順序，為橋梁加固和改善橋梁的管養(yǎng)檔案提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

圖1　全橋外觀圖

2試驗方案

根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，綜合考慮各方面因素，選取雅魯河橋第1、5、17孔，對這三孔進(jìn)行動、靜載試驗。

2.1試驗內(nèi)容。

(1)外觀檢查及技術(shù)評定。

包括橋梁結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)的測定、橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件表觀缺陷狀況的檢查，并對橋梁外觀使用狀況進(jìn)行現(xiàn)場評定。以及對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)強(qiáng)度檢測，包括混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋銹蝕、保護(hù)層厚度等。[1]

(2)靜載試驗內(nèi)容。

在保證荷載試驗效率η在0.95~1.05的條件下，按最不利位置布載，先后采用2輛載重汽車作為試驗荷載，共用4臺30t載重車模擬汽-15級荷載。每次加載穩(wěn)定一段時間后，采集各測點數(shù)據(jù)。[2,3]

靜載試驗內(nèi)容主要包括[4]：①跨中斷面撓度測試；②L/4斷面撓度測試；③跨中斷面混凝土應(yīng)變測試；④L/4斷面混凝土應(yīng)變測試；⑤支點斷面混凝土應(yīng)變測試；⑥動載試驗內(nèi)容。

(3)動載實驗內(nèi)容。

動載試驗包括：①結(jié)構(gòu)振動的對數(shù)衰減率δ與阻尼比ζ；②結(jié)構(gòu)振型的測定，結(jié)構(gòu)的固有頻率f0；③汽車不同運(yùn)行速度時的沖擊系數(shù)μ。[5]

2.2測點布置與測試設(shè)備。

本橋上部結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土T梁，受力簡單明確，計算跨徑為19.5m。選取支點、跨中、1/4L斷面為測試截面，如圖所示。

圖2　雅魯河大橋靜動載試驗測試斷面位置圖

該橋采用了最不利受力狀態(tài)進(jìn)行了分級加載原則進(jìn)行加載，采用對主跨跨中進(jìn)行汽-15級汽車荷載加載。

B-B斷面、C-C斷面混凝土應(yīng)變測點采用應(yīng)變計測定，第1、5、17孔主梁梁底應(yīng)變測點布置如圖3所示。

圖3　跨中、1/4L斷面應(yīng)變測點布置圖

B-B斷面、C-C斷面撓度測試采用水準(zhǔn)儀、鋼絲撓度計，第1、5、17孔主梁梁底撓度測點布置如圖4所示。

圖4　跨中斷面撓度測點布置圖

根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，按公路-II級荷載要求對0號、1號~16號墩，和17號臺分別進(jìn)行靜壓試驗，測試其豎向沉降值，沉降測量采用精密水準(zhǔn)儀，精度0.1mm。測試截面選定0號臺、1號~16號墩，17號臺為測試斷面進(jìn)行測試，如圖5所示。

圖5　測試截面

該橋橋臺及橋墩豎向沉降分別采用鋼絲撓度計進(jìn)行測量，墩臺測點布置如圖6所示。

圖6　A-A斷面撓度測點布置圖

2.3加載工況。

(1)靜力試驗荷載加載工況。

荷載布置時遵照現(xiàn)行橋規(guī)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的規(guī)定，縱向根據(jù)影響線最不利加載原則，試驗荷載工況選擇主要反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)進(jìn)行加載。

雅魯河橋橋梁試驗工況：

工況1：橫向兩輛車偏載布置，縱向使跨中彎矩最大；如圖7所示。工況2：橫向兩輛車中載布置，縱向使跨中彎矩最大；如圖8所示。工況3：橫向兩輛車偏載布置，縱向使1/4截面彎矩最大；如圖9所示。工況4：橫向兩輛車中載布置，縱向使1/4截面彎矩最大；如圖10所示。工況5：橫向兩輛車偏載布置，縱向使距支座h/2處截面剪力最大；如圖11所示。工況6：橫向兩輛車中載布置，縱向使距支座h/2處截面剪力最大；如圖12所示。

跨中斷面(A-A斷面)試驗偏載工況及測點布置：

圖7　跨中縱向偏載加載示意圖(工況1、2)(單位:m)

圖8　L/4縱向偏載加載示意圖(工況3、4)(單位:m)

圖9　跨中橫向偏載加載示意圖(工況1、2、3)(單位:m)

圖10　跨中橫向中載加載示意圖(工況2、4、6)(單位:m)

圖11　剪力效應(yīng)縱向示意圖(工況5、6)(單位:m)

支點斷面(A-A斷面)最大剪力加載方案，試驗加載及測點布置見圖12。

圖12　支點附近截面剪應(yīng)力測試圖

對于墩臺靜載試驗，采用豎向荷載最大為加載原則，為了滿足鑒定橋梁承載能力的要求，試驗荷載工況選擇主要反映橋臺、橋墩的最不利受力狀態(tài)進(jìn)行加載。試驗工況7~24分別為對0號臺、1號~16號墩、17號臺進(jìn)行橫向4輛車偏心布置，分別另其豎向反力最大。

(2)動力試驗荷載工況。

動載試驗采用1輛390kN試驗汽車為動力試驗荷載。模態(tài)測試采用DH-5937橋梁動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測試工況包括：(1)結(jié)構(gòu)振動的對數(shù)衰減率δ與阻尼比ζ；(2)結(jié)構(gòu)振型的測定，結(jié)構(gòu)的固有頻率f0；(3)汽車不同運(yùn)行速度時的沖擊系數(shù)μ，試驗汽車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h(受現(xiàn)場條件、交通管制限制)的速度勻速過橋進(jìn)行激振測試沖擊系數(shù)。

3試驗結(jié)果及分析

3.1 靜載試驗結(jié)果。

(1)撓度測量及校驗系數(shù)。

(a)偏載工況

(b)中載工況 圖13　跨中荷載作用下各孔主梁撓度值(單位：0.1mm)

(a)偏載作用

(b)中載作用 圖14　L/4處荷載作用下各孔主梁撓度值(單位：0.1mm)

跨中偏載撓度校驗系數(shù)最大值1.83，卸載后，相對殘余變形最大為7.18%；跨中中載撓度校驗系數(shù)最大值1.26，卸載后，相對殘余變形最大為5.97%；L/4偏載撓度校驗系數(shù)最大值1.22，卸載后，相對殘余變形最大為11.33%；跨中偏載撓度校驗系數(shù)最大值1.26，卸載后，相對殘余變形最大為9.74%。而《規(guī)范》要求校驗系數(shù)小于1，相對殘余變形小于20%，這說明該橋跨中、L/4截面在試驗過程中校驗系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面剛度不能滿足汽-15級荷載使用要求。

(2)應(yīng)變測量及校驗系數(shù)。

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖15　跨中偏載作用下測點截面應(yīng)變值(單位με)

(a)上緣應(yīng)變值

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖17　L/4處偏載作用下測點截面應(yīng)變值(單位με)

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖18　L/4處中載作用下測點上緣應(yīng)變值(單位με)

在試驗荷載作用下，跨中偏載上緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.5，卸載后，相對殘余變形最大為10.64%；跨中偏載下緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為1.36，卸載后，相對殘余變形最大為2.20%；跨中中載上緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.55，卸載后，相對殘余變形最大為11.63%；跨中中載下緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為1.03，卸載后，相對殘余變形最大為1.55%；L/4偏載上緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.35，卸載后，相對殘余變形最大為10%；L/4偏載下緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.97，卸載后，相對殘余變形最大為5.87%；L/4中載上緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.28，卸載后，相對殘余變形最大為0%；L/4中載下緣應(yīng)變校驗系數(shù)最大為1.27，卸載后，相對殘余變形最大為12.89%。這說明該橋跨中、L/4截面在試驗過程中應(yīng)變校驗系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面強(qiáng)度不能滿足汽-15荷載使用要求。

(3)支點最大剪力測量及校驗系數(shù)。

表1　偏載作用下支點附近斷面應(yīng)變值(單位με)

表2　中載作用下支點附近斷面應(yīng)變值(單位με)

從上表可以得出，偏載作用下支點剪力校驗系數(shù)最大為1.16，中載作用下支點剪力校驗系數(shù)最大為0.95?！兑?guī)范》要求校驗系數(shù)小于1；這說明該橋第1孔T梁支點處斜截面抗剪強(qiáng)度不滿足汽-15級荷載使用要求。

(4)下部結(jié)構(gòu)靜載試驗結(jié)果分析。

兩孔雙列偏載時，12號墩左側(cè)的沉降最大，為0.5mm，小于規(guī)范允許值，且卸載豎向后沉降基本可恢復(fù)，說明墩臺在試驗荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，因此橋墩、橋臺的地基豎向承載力滿足公路-Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

(5)動載實驗結(jié)果與分析。

實測阻尼比的大小反映了橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力，阻尼比大，說明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強(qiáng)，振動衰減得快；阻尼比小，說明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力差，振動衰減得慢。但阻尼比過大則說明橋梁結(jié)構(gòu)可能存在開裂或支座工作狀況不正常等現(xiàn)象。從測試結(jié)果可看出，雅魯河橋阻尼比分別為0.0317、0.0825、0.1616、0.1210，說明該橋有動力特性一般。

比較橋梁結(jié)構(gòu)頻率的理論計算值與實測值，如果實測值大于理論計算值，說明橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度較大，反之則說明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度偏小，可能存在開裂或者其他不正常現(xiàn)象。通過上表對實測頻率值和理論頻率值的比較可知實測頻率值比上理論頻率值分別為0.756、0.756、0.822、0.855，這說明該橋動剛度評定標(biāo)度為4，為差的狀況。

根據(jù)動力沖擊系數(shù)的實測值來評價橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能，實測最大沖擊系數(shù)1.145小于理論值1.300，這說明該橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能較好。

4結(jié)論

通過對雅魯河大橋靜動載試驗，得到以下結(jié)論：

(1)通過撓度測試可知，在偏載和中載工況下，跨中、L/4跨的撓度校驗系數(shù)均大于1，相對殘余變形均大于5%，其中L/4偏載工況時出現(xiàn)殘余變形最大值11.33%。這說明該橋跨中、L/4截面在試驗過程中校驗系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面剛度不能滿足汽-15級荷載使用要求。

(2)通過應(yīng)變測試可知，跨中偏載與中載工況下緣應(yīng)變校驗系數(shù)>1，但有較低的殘余變形(不超過2.2%)；上緣應(yīng)變校驗系數(shù)在0.5左右，而殘余變形超過10%。L/4偏載和中載工況下緣應(yīng)變校驗系數(shù)在1左右，相對殘余變形較小，上緣應(yīng)變校驗系數(shù)低于0.35，相對殘余變形則超過10%，這說明該橋跨中、L/4截面在試驗過程中應(yīng)變校驗系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面強(qiáng)度不能滿足汽-15荷載使用要求。

(3)經(jīng)過動載試驗動力參數(shù)測定，該橋動剛度差，橋面行車性能較好。

(4)因該橋原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，經(jīng)多年使用，破損情況較嚴(yán)重，無法滿足現(xiàn)行通行要求。需要對T梁結(jié)構(gòu)采取增大截面法進(jìn)行加固處理，將T梁改為箱型結(jié)構(gòu)，以提高上部結(jié)構(gòu)的承載力；對T梁裂縫<0.15mm可采用水泥滲透結(jié)晶型防水材料(賽柏斯)進(jìn)行封閉，對裂縫>0.15mm，采取灌注裂縫專用膠進(jìn)行封閉。

參考文獻(xiàn)

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Static and Dynamic Load Test and Analysis of the Yalu River Bridge

Ge Beide

(Harbin Vocational and Technical College, Harbin, Heilongjiang 150081, China)

Key words：old bridge detection; load test; structure evaluation

Class No.:U448.21Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)