公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)定

彭超凡 鄭七振 趙榮欣 謝思昱 馮軍驍 李 鵬

(1.上海理工大學(xué)，上海 200093； 2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200032)

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公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)定

彭超凡1鄭七振1趙榮欣2謝思昱1馮軍驍1李 鵬1

(1.上海理工大學(xué)，上海 200093； 2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200032)

以鄂爾多斯市某跨線橋?yàn)槔?，通過靜載與動(dòng)載試驗(yàn)，檢測(cè)了橋梁的靜力性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，結(jié)果表明，橋梁外觀和剛度狀況良好，處于彈性受力階段，結(jié)構(gòu)整體承載性能滿足設(shè)計(jì)要求。

橋梁結(jié)構(gòu)，靜載試驗(yàn)，動(dòng)載試驗(yàn)，撓度

1 橋梁概況

某跨線橋位于鄂爾多斯市東勝區(qū)布日都鎮(zhèn)，立交功能定位為：樞紐型城市互通立交。改擴(kuò)建工程路線全長(zhǎng)為25.253 km，上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支連續(xù)小箱梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m和35 m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，在橋?qū)捵兓?，通過改變立柱間距和根數(shù)的方式來滿足受力要求。橋臺(tái)采用輕型埋置式橋臺(tái)，寬2 m，最小厚度1.5 m，支座采用板式橡膠支座，鋪裝采用瀝青混凝土鋪裝，總厚17 cm。

2 靜載試驗(yàn)

橋梁靜力荷載試驗(yàn)，主要是通過測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和內(nèi)力，用以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符[4]。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

截面抗彎應(yīng)變測(cè)點(diǎn)設(shè)置在各截面應(yīng)力分布較大的部位，每個(gè)斷面分別在小箱梁底板和腹板布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置在小箱梁結(jié)構(gòu)的混凝土外表面上。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，在3個(gè)斷面共布置了22個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

2.1.2 撓度測(cè)點(diǎn)

撓度測(cè)點(diǎn)均布置在小箱梁底板上，跨中截面測(cè)點(diǎn)是在每個(gè)小箱梁底板各布置1個(gè)，墩頂測(cè)點(diǎn)則在首尾底板上各布置1個(gè)。

2.2 靜載試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件，靜力荷載試驗(yàn)共分四個(gè)試驗(yàn)工況：1)工況Ⅰ：檢驗(yàn)邊跨跨中截面在最不利汽車荷載(對(duì)稱加載)作用下的最大正彎矩效應(yīng)；2)工況Ⅱ：檢驗(yàn)中墩墩頂截面在最不利汽車荷載(對(duì)稱加載)作用下的最大負(fù)彎矩效應(yīng)；3)工況Ⅲ：檢驗(yàn)中跨跨中截面在最不利汽車荷載(對(duì)稱加載)作用下的最大正彎矩效應(yīng)。

2.3 靜力荷載效率與加載方式

2.3.1 設(shè)計(jì)控制荷載

1)計(jì)算參數(shù)。a.設(shè)計(jì)荷載：均布荷載10.0 kN/m,集中荷載300 kN。b.結(jié)構(gòu)材料：預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力采用φ15.20高強(qiáng)度低松弛(Ⅱ類松弛)鋼絞線(標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa)。c.汽車荷載系數(shù)：?jiǎn)畏鶚騿蜗蛩能嚨馈?/p>

2)計(jì)算模型。采用有限元分析軟件Midas對(duì)跨線橋三片連續(xù)小箱梁進(jìn)行受力分析。有限元模型如圖1所示，小箱梁共離散為91個(gè)節(jié)點(diǎn)，90個(gè)單元。

2.3.2 靜力荷載效率

靜力荷載試驗(yàn)效率[5]是某一控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的計(jì)算效應(yīng)與該截面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)控制效應(yīng)的比值。對(duì)于在用橋梁，其使用荷載變化情況復(fù)雜且長(zhǎng)期處于各種荷載作用之下，為使荷載試驗(yàn)?zāi)艹浞址从辰Y(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，一般要求采用較高的荷載試驗(yàn)效率，其取值如式(1)所示。

(1)

其中，ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率；Ss為靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；S′為檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值，μ=0.176 7lnf-0.015 7，f為結(jié)構(gòu)的基頻。

依據(jù)以上計(jì)算公式求得的各工況下的靜力荷載效率如表1所示。各試驗(yàn)工況的荷載效率均介于0.95～1.05之間，符合規(guī)范要求。

表1 控制截面荷載效率

2.3.3 荷載加載方式

靜力試驗(yàn)荷載加載方式是采用單輛重約300 kN的三軸載重汽車作為等效荷載，在試驗(yàn)過程中模擬設(shè)計(jì)活載所產(chǎn)生的內(nèi)力值。本次荷載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)共選用6輛加載車輛，采用汽車車隊(duì)加載方式，加載車輛均為三軸重車，車輛滿載后控制總重量為300 kN，其中前軸重60 kN，中、后軸各重120 kN。正式試驗(yàn)前，已對(duì)所有加載車輛進(jìn)行過磅稱重，與標(biāo)準(zhǔn)300 kN車輛誤差均在5%以內(nèi)。

2.4 靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.4.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

工況Ⅰ邊跨跨中控制截面的各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見表2。工況Ⅱ中墩墩頂主梁控制截面上的各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見表3。工況Ⅲ中跨跨中控制截面的各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見表4。表格中拉應(yīng)變?yōu)檎瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)，“—”表示應(yīng)變壞點(diǎn)。

表2 邊跨跨中最大正彎矩工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表3 中墩墩頂最大負(fù)彎矩工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表4 中跨跨中最大負(fù)彎矩工況應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

由表2可知，在邊跨跨中最大正彎矩加載工況時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.21～0.88之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應(yīng)作用下邊跨跨中截面的應(yīng)力狀況能滿足設(shè)計(jì)要求。殘余應(yīng)變值較小且相對(duì)殘余均小于20%，說明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段。

由表3可知，在中墩墩頂最大負(fù)彎矩加載工況時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.81～0.98之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應(yīng)作用下中墩墩頂截面的應(yīng)力狀況能滿足設(shè)計(jì)要求。殘余應(yīng)變值較小且相對(duì)殘余均小于20%，說明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段。

由表4可知，在中跨跨中最大正彎矩加載工況時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.25～0.79之間，均小于1.0，表明在最不利活載效應(yīng)作用下中跨跨中截面的應(yīng)力狀況能滿足設(shè)計(jì)要求。殘余應(yīng)變值較小且相對(duì)殘余均小于20%，說明該橋結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段。

2.4.2 撓度測(cè)試結(jié)果

通過設(shè)置邊跨跨中、中墩墩頂和中跨跨中的位移測(cè)點(diǎn)，繪制各主梁實(shí)測(cè)的撓度曲線，并與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖2～圖4。

從測(cè)試結(jié)果來看，四個(gè)荷載工況作用下，主梁撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)范圍分別在0.39～0.78，0.17～0.44和0.49～0.80之間，說明橋梁的實(shí)際狀況要好于理論狀況，結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度及相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，滿足規(guī)范要求。橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度及其各主梁橫向分布情況較好，與設(shè)計(jì)基本相符。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)力荷載試驗(yàn)是指采用動(dòng)力荷載，如行駛的汽車荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)上，以測(cè)出橋梁的動(dòng)力特性，如振動(dòng)變形、動(dòng)撓度，從而判定橋梁在動(dòng)力荷載作用下受沖擊和振動(dòng)的影響程度。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

在中跨跨中斷面分別布置動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)[7]。動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)即在中跨跨中斷面安裝靶標(biāo)為觀測(cè)元件，并配備光電撓度儀采集在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)撓度數(shù)據(jù)。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)即在中跨跨中斷面布置拾振器，在動(dòng)荷載試驗(yàn)中采用智能信號(hào)采集處理分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在Dasp軟件平臺(tái)中建模分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件，動(dòng)力荷載試驗(yàn)共分四個(gè)試驗(yàn)工況：1)工況Ⅰ：10 km/h跑車。一輛300 kN試驗(yàn)車輛以勻速10 km/h從中跨橋面上跑過；2)工況Ⅱ：20 km/h跑車。一輛300 kN試驗(yàn)車輛以勻速20 km/h從中跨橋面上跑過；3)工況Ⅲ：10 km/h有障礙行車。先在橋面中跨跨中位置放置一高約5 cm，寬約10 cm的木條，然后一輛300 kN試驗(yàn)車輛以勻速10 km/h從木條上跑過；4)工況Ⅳ：跳車。先在橋面中跨跨中位置放置一高約5 cm，寬約10 cm的木條，一輛300 kN試驗(yàn)車輛使其中軸緩慢駛過木條后立即剎車。

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

動(dòng)撓度測(cè)試結(jié)果。根據(jù)中跨跨中截面所布置的動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)，中跨主梁在各動(dòng)載工況下實(shí)測(cè)的動(dòng)撓度時(shí)程曲線，可算得主梁在各動(dòng)載工況下的沖擊系數(shù)如表5所示。

沖擊系數(shù)μ能夠反映車輛動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力增大效應(yīng)。實(shí)測(cè)的活載動(dòng)力增大系數(shù)，可根據(jù)測(cè)點(diǎn)動(dòng)撓度時(shí)程曲線進(jìn)行整理分析，按式(2)計(jì)算：

(2)

其中，Smax為在動(dòng)力荷載作用下該測(cè)點(diǎn)最大撓度值；Smean為相應(yīng)的靜載作用下該測(cè)點(diǎn)最大撓度值。

(3)

其中，Smin為與Smax相應(yīng)的最小撓度值。

據(jù)表5可知，在無障礙跑車狀態(tài)下，跨中截面實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)分別為0.100和0.054，數(shù)值較小，且均小于沖擊系數(shù)理論計(jì)算值。而在橋面設(shè)置高約5 cm的木條障礙下進(jìn)行跑車實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)較大，大于沖擊系數(shù)理論計(jì)算值。

各動(dòng)荷載試驗(yàn)工況下的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在橋面無人為障礙的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能較好，橋面平整度較好。而當(dāng)橋面有木條等障礙時(shí)，橋面跑車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊影響較大，但卸載后，橋梁撓度恢復(fù)正常。

表5 主梁跨中截面行車沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某跨線橋?yàn)檠芯勘尘?，通過對(duì)橋梁的常規(guī)檢測(cè)、靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)及有限元結(jié)構(gòu)分析，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的適用性、耐久性和安全性進(jìn)行了評(píng)定。檢測(cè)結(jié)果顯示，橋梁外觀和剛度狀況良好，處于彈性受力階段，結(jié)構(gòu)整體承載性能滿足設(shè)計(jì)要求。

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Safety testing and identification on the structure of highway bridge

Peng Chaofan1Zheng Qizhen1Zhao Rongxin2Xie Siyu1Feng Junxiao1Li Peng1

(1.UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiResearchInstituteofBuildingSciences(Group)Co.,Ltd,Shanghai200032,China)

Taking the overpass bridge in Ordos city as an example, through static load and dynamic load test, the paper detects the static bridge performance parameters and structural dynamic properties. Results show that: the bridge appearance and rigidity are good, lies in elastic stress stage, and its structural bearing performance meets design demands as well.

bridge structure, static load test, dynamic load test, deflection

1009-6825(2016)27-0156-03

2016-07-18

彭超凡(1991- )，男，在讀碩士

U441

A