劉 小 軍

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

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某斜交梁橋荷載試驗(yàn)計(jì)算分析

劉 小 軍

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

為檢驗(yàn)?zāi)吵鞘行苯涣簶虻某休d能力，了解該橋的工作性能，為其今后的正常運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)，結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。介紹了荷載試驗(yàn)的主要流程，通過(guò)有限元分析，將計(jì)算得到的撓度、應(yīng)變與振頻率等指標(biāo)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明該橋靜載試驗(yàn)加載效率為0.96～1.03，滿足規(guī)范0.95～1.05之間的規(guī)定；截面最大相對(duì)殘余為13.87%，滿足強(qiáng)度要求；橋梁橫向、縱向撓度試驗(yàn)值均包絡(luò)于計(jì)算值內(nèi)，即均在正常范圍內(nèi)；應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)處于1.027～1.048之間，均小于規(guī)范取值1.050；測(cè)試截面一階豎向自振頻率為4.541 Hz，與理論值4.97 Hz相差不大；試驗(yàn)結(jié)果滿足正常使用要求。該橋工作狀態(tài)良好，可以投入正常使用。

梁橋；荷載試驗(yàn)；撓度；應(yīng)變；自振頻率；動(dòng)力響應(yīng)

我國(guó)橋梁眾多，橋梁的管理養(yǎng)護(hù)工作是橋梁建設(shè)的重要一環(huán)。近年來(lái)不斷發(fā)生橋梁垮塌事故，使得橋梁的安全性成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。荷載試驗(yàn)法是橋梁安全評(píng)價(jià)中常用的一種方法。橋梁的荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)，其原理是通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)的布置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，并確定橋梁的截面或多個(gè)截面的應(yīng)變、撓度以及橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率等指標(biāo)。荷載試驗(yàn)是在結(jié)構(gòu)上施加荷載，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上布設(shè)的感應(yīng)裝置，測(cè)定橋梁某一截面或多個(gè)截面的應(yīng)變、撓度、自振頻率等指標(biāo)，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷橋梁的工作狀態(tài)是否滿足正常使用要求，橋梁的承載能力是否在安全范圍內(nèi)。

從20世紀(jì)80年代起，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸把橋梁工程的重心移向檢測(cè)評(píng)估、管理養(yǎng)護(hù)上，并已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)公路橋梁方面的檢測(cè)評(píng)估、管理養(yǎng)護(hù)工作仍存在一定的差距，還有很長(zhǎng)的路要走，近年來(lái)，我國(guó)已開(kāi)展橋梁荷載試驗(yàn)方面研究工作，逐步積累資料和經(jīng)驗(yàn)[1-3]。羅曉英[4]、白雨[5]對(duì)系桿拱橋進(jìn)行了加載試驗(yàn)分析，劉旭政等[6]、黎虹等[7]、曾凡奎等[8]、劉又佳等[9]分別對(duì)斜拉橋加載工況、梁格法、殘余應(yīng)力和荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)等進(jìn)行了研究。石雄偉等[10]在對(duì)比新舊設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)加載效率進(jìn)行了系統(tǒng)研究，張征文等[11]通過(guò)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型進(jìn)行了修正。任東華等[12]基于可靠度理論對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)效率進(jìn)行了深入研究。

本文以一座空心板梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，通過(guò)靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)、有限元計(jì)算分析等手段，分析其各項(xiàng)安全指標(biāo)，為該橋的管理養(yǎng)護(hù)工作提供技術(shù)參考。

1　工程概況

某空心板梁橋位于山西省境內(nèi)，是一座跨河斜交橋(見(jiàn)圖1、圖2)，斜交角度為15°。該橋全長(zhǎng)20.0 m，橋面總寬8.2 m，橫向布置為0.6 m(防撞欄)+7.0 m(車行道)+0.6 m(防撞欄)。上部結(jié)構(gòu)為1跨簡(jiǎn)支空心板，橫橋向共為6片簡(jiǎn)支空心板，板高0.9 m，腹板平均厚度為0.25 m，頂板厚0.1 m，底板厚0.1 m?？招陌宀捎肅40混凝土設(shè)計(jì)，邊蓋梁采用C30混凝土。下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鉆孔樁上設(shè)邊蓋梁。橋面鋪裝由10 cm厚瀝青混凝土與10 cm厚現(xiàn)澆混凝土組成，全橋共設(shè)2條80型伸縮縫，橋面內(nèi)側(cè)采用SA型組合式現(xiàn)澆混凝土防撞護(hù)欄，外掛預(yù)制地袱。

該橋竣工于2009年3月，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，抗震烈度按7度設(shè)防。

為檢驗(yàn)該橋的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷其承重安全性，評(píng)估其是否能夠正常運(yùn)營(yíng)，結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特對(duì)其進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

圖1　立面圖(單位：cm)

圖2平面圖及試驗(yàn)對(duì)象(單位：cm)

2　試驗(yàn)方案

2.1計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立了該跨河橋的有限元計(jì)算模型，共建立136個(gè)節(jié)點(diǎn)和225個(gè)板梁?jiǎn)卧?，如圖3所示。

圖3有限元模型

2.2控制截面設(shè)計(jì)活載內(nèi)力計(jì)算

利用梁格法[7,11]計(jì)算出該跨河橋在設(shè)計(jì)活載作用下控制截面的彎矩包絡(luò)圖，如圖4所示。可見(jiàn)，該橋在“城-A級(jí)”荷載作用下，試驗(yàn)橋跨單片梁(1#板梁)0.5L處截面的最大正彎矩為7.67×105N·m，取其為彎矩控制值。取1#板為分析對(duì)象，設(shè)計(jì)活荷載作用下控制斷面的彎矩如表1所示。

圖4　1#板梁在設(shè)計(jì)活載作用下彎矩包絡(luò)圖

2.3動(dòng)力特性計(jì)算

經(jīng)有限元模擬計(jì)算，本橋自振頻率理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、圖5。

表2　自振特性理論計(jì)算結(jié)果

圖5一階振形

2.4試驗(yàn)加載

2.4.1靜載試驗(yàn)加載及荷載效率

本次試驗(yàn)采用的車輛配置為三輛35 t左右重量的卡車，車輛車輪位置如圖6所示。通過(guò)工況1～工況2，使該橋1#梁跨中處正彎矩達(dá)到加載效率。具體加載步驟如表3所示，各工況試驗(yàn)荷載載位圖如圖7所示。試驗(yàn)荷載作用下檢測(cè)跨1#梁控制截面彎矩加載效率見(jiàn)表4。

圖6　車輪位置示意圖(單位：cm)

圖7工況1～工況3荷載布置圖(單位：cm)

本次試驗(yàn)所用荷載是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載在該試驗(yàn)工況內(nèi)產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值進(jìn)行等效換算[10]，等效換算的原則為使所用的荷載試驗(yàn)效率ηq應(yīng)滿足：

(1)

式中：ηq為靜力試驗(yàn)荷載試驗(yàn)效率；Sstat為試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力計(jì)算值；Sq為二期恒載(橋面瀝青鋪裝)內(nèi)力計(jì)算值；S為控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計(jì)算值(不計(jì)沖擊)；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

表3　靜載試驗(yàn)工況及試驗(yàn)?zāi)康?/p>

表4　試驗(yàn)荷載作用下檢測(cè)跨1#梁控制截面彎矩加載效率匯總表

2.4.2動(dòng)載試驗(yàn)加載

進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)的目的主要是測(cè)試橋梁的自振、受迫振動(dòng)特性以及加速度時(shí)程響應(yīng)[2-6]。自振特性的測(cè)試在橋梁無(wú)荷載作用下所處的自然環(huán)境中進(jìn)行，自振特性測(cè)試采用地脈動(dòng)為激振源；受迫振動(dòng)測(cè)試的振源主要由兩種方式發(fā)起，跳車和跑車激振。跳車激振法是將一輛大概10 t重的卡車的后輪抬高15 cm后釋放，從而使橋梁振動(dòng)；跑車激振法是采用同樣重量的汽車，在橋面分別以20 km/h、40 km/h的速度勻速行駛進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)。

2.5測(cè)點(diǎn)布置

2.5.1撓度測(cè)點(diǎn)

在第2跨支點(diǎn)、四分點(diǎn)、跨中位置等處共布置7個(gè)撓度變形測(cè)點(diǎn)，如圖8所示。

圖8檢測(cè)跨變形測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

2.5.2應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

檢測(cè)跨應(yīng)變測(cè)試斷面選在跨中處A-A截面，共設(shè)置9個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置示意圖，如圖9、圖10所示。

圖9　應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置截面示意圖(單位：cm)

圖10A-A截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

2.5.3動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

動(dòng)載試驗(yàn)采用DASP動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)進(jìn)行。本次動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)象為全部橋跨，在A-A截面橋面上豎直對(duì)應(yīng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)“Y6#”處布置動(dòng)測(cè)測(cè)點(diǎn)，如圖11所示。

圖11動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

將A-A截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果和有限元計(jì)算值作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

通過(guò)對(duì)應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：經(jīng)計(jì)算，橋梁試驗(yàn)工況加載效率為0.96～1.03，滿足關(guān)于加載效率應(yīng)在0.95～1.05之間的規(guī)定，說(shuō)明試驗(yàn)有效性滿足要求。在各工況作用下，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)囼?yàn)值都小于計(jì)算值，各工況下A-A截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別是0.38～0.66、0.55～0.87、0.42～0.67、0.37～0.56和0.68～0.78，都在合理范圍內(nèi)。荷載卸除后，A-A截面最大相對(duì)殘余為13.87%，說(shuō)明該橋強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)處于比較好的彈性工作狀態(tài)。測(cè)試截面應(yīng)變的橫向分布規(guī)律與理論計(jì)算值吻合，結(jié)構(gòu)整體受力性能較好。

3.1.2撓度測(cè)試結(jié)果分析

將全橋各撓度測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果和有限元計(jì)算值作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖13、圖14。

圖13　各工況作用下縱橋向測(cè)點(diǎn)撓度測(cè)試結(jié)果

圖14各作用下橫橋向測(cè)點(diǎn)撓度測(cè)試結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析可知，各工況作用下，橋梁橫向、縱向撓度試驗(yàn)值均包絡(luò)于計(jì)算值內(nèi)，即均在正常范圍內(nèi)。

3.1.3裂縫檢查

進(jìn)行試驗(yàn)前后對(duì)主梁及橋臺(tái)進(jìn)行了全面的裂縫檢查，在檢查過(guò)程中未見(jiàn)明顯裂縫。

3.2動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要通過(guò)分析結(jié)構(gòu)固有頻率得到。結(jié)果表明，該橋測(cè)試截面一階豎向自振頻率為4.183 Hz與理論值4.541 Hz相差不大，這反映了該橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)剛度與理論計(jì)算剛度無(wú)明顯差異，與靜力試驗(yàn)的撓度檢測(cè)結(jié)果吻合。檢測(cè)分析結(jié)果如表5所示。

表5　A-A截面固有頻率分析表　單位：Hz

3.2.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

跑車和剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。跑車及剎車試驗(yàn)的部分實(shí)測(cè)信號(hào)見(jiàn)圖15～圖19。

表6　跑車和剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)即應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)反映了汽車動(dòng)荷載對(duì)橋梁的沖擊作用[9-10]，其計(jì)算公式為：

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Smax為動(dòng)力荷載引起檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大動(dòng)力變形或力值(即最大波峰值)；Smean為靜力荷載引起同一檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大靜力變形或力值。

經(jīng)試驗(yàn)，A-A截面20 km/h跑車、40 km/h跑車、40 km/h剎車相應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.027、1.031、1.048。

圖1520 km/h跑車測(cè)試截面加速度信號(hào)

圖16　40 km/h跑車測(cè)試截面加速度信號(hào)

圖17　40 km/h剎車測(cè)試截面加速度信號(hào)

圖18　20 km/h跑車動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖1940 km/h跑車動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

通過(guò)對(duì)該橋進(jìn)行的動(dòng)載試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

(1) 該橋測(cè)試截面一階豎向自振頻率為4.183 Hz與理論值4.541 Hz相差不大，這反映了該橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)剛度與理論計(jì)算剛度無(wú)明顯差異，與靜力試驗(yàn)的撓度檢測(cè)結(jié)果吻合。阻尼比實(shí)測(cè)均值為0.0634，屬小阻尼振動(dòng)。

(2) 20 km/h跑車、40 km/h跑車、40 km/h剎車試驗(yàn)，A-A截面實(shí)測(cè)豎向加速度為0.188 m/s2～0.305 m/s2，該值偏小。應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)處于1.027～1.048之間，40 km/h剎車時(shí)最大，均小于規(guī)范取值1.050，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)較小，橋梁行車性能良好，橋面平整程度良好。該值與車速有一定相關(guān)性。

動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果表明：此橋豎向自振頻率與理論值相差不大，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，汽車荷載對(duì)橋梁的沖擊效應(yīng)與規(guī)范建議值接近，實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變幅值較小,試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能正常，滿足橋梁正常使用的要求。

4　結(jié)　語(yǔ)

荷載試驗(yàn)分析結(jié)果表明，該橋結(jié)構(gòu)處于比較好的彈性工作狀態(tài)，測(cè)試截面應(yīng)變的橫向分布規(guī)律與理論計(jì)算值吻合；橋梁橫向、縱向撓度試驗(yàn)值均包絡(luò)于計(jì)算值內(nèi)，即均在正常范圍內(nèi)；主要承重結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯病害；實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度與理論計(jì)算剛度無(wú)明顯差異，與靜力試驗(yàn)的撓度檢測(cè)結(jié)果吻合；應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)均小于規(guī)范取值1.050，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)較小，橋梁行車性能良好，橋面平整程度良好；該橋可以滿足正常使用要求。

[1]尹彬彬,李金濤．荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)在橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用[J]．中國(guó)建材科技,2011(5):10-14．

[2]馬超,孫韋．評(píng)述橋梁荷載試驗(yàn)的步驟及要點(diǎn)[J]．公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2013(7):31-33．[3]王凌波,賀拴海,蔣培文,等．大跨徑橋梁荷載試驗(yàn)加載方案算法設(shè)計(jì)[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(2):77-81．

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Analysis of The Load Test of a Skew Bridge

LIU Xiaojun

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to test the bearing capacity of a skew bridge and understand its working performance, this research carried out the load test, through finite element analysis, the calculated deflection, strain, vibration frequency and other indicators and the measured values were compared and analyzed, results showed that the bridge static load test loading rate was 0.96～1.03 and 0.95～1.05, which meet the standard section; the maximum relative residual is 13.87%, and meet strength requirements; bridge transverse and longitudinal deflection test values were calculated on the envelope, which were in the normal range. The strain increase coefficient is in the range of 1.027～1.048, less than the standard value of 1.050, a test section order vertical vibration frequency is 4.541 Hz, which is similar to the theoretical value 4.97 Hz. The test results meet the requirements of normal use, the state of the bridge is good, and can be used normally.

beam bridge; load test; deflection; strain; natural frequency; dynamic response

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.039

2016-04-04

2016-04-28

劉小軍(1979—)，男，山西孝義人，工程師，主要從事公路橋梁工程的勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail:646461088@qq.com

U441+.2

A

1672—1144(2016)04—0201—05