某公路橋荷載試驗(yàn)研究

劉耀東, 曹紅焱, 唐 齊, 張若鋼, 薛其林

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 中鐵大橋武漢橋梁科學(xué)研究院，湖北 武漢 430068)

某公路橋荷載試驗(yàn)研究

劉耀東1, 曹紅焱1, 唐 齊1, 張若鋼2, 薛其林2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 中鐵大橋武漢橋梁科學(xué)研究院，湖北 武漢 430068)

依據(jù)靜載試驗(yàn)所需工況，活荷載在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)最不利橋梁安全位置，按理論公式和規(guī)范中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出參數(shù)。采用了midas/civil有限元模型模擬各工況下橋梁內(nèi)力和位移的變化，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)所給荷載下的橋梁實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，分析在役橋梁工作狀態(tài)下，判定其安全承載能力與設(shè)計(jì)值是否在規(guī)范允許值內(nèi)，比較理論下的靜、動(dòng)力計(jì)算結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，分析理論結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)其橋梁狀況。

恒荷載; 動(dòng)荷載; 活載撓度

橋梁荷載試驗(yàn)是直接進(jìn)行表面檢測(cè)，通過(guò)荷載試驗(yàn)橋梁各構(gòu)件內(nèi)力、應(yīng)力及位移.直接測(cè)試成橋工作的狀態(tài)。分析出成橋?qū)嶋H承受荷載能力的限值。檢驗(yàn)成橋目前狀態(tài)與設(shè)計(jì)使用年限是否滿足要求。分析其最直接和最有效的方法就是進(jìn)行荷載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度。通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)的結(jié)果能準(zhǔn)確且全面反饋橋梁現(xiàn)狀。主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為全應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)箱梁(圖1)，箱梁腹板變截面線形近似于2.0次拋物線。(圖2)。

圖 1 某橋立面布置圖(cm)

圖 2 某橋橫斷面布置圖(cm)

1 靜載試驗(yàn)

橋梁各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形是判定橋梁結(jié)構(gòu)在靜力作用的主要標(biāo)準(zhǔn)，從而靜載試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)判定橋梁結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)與設(shè)計(jì)規(guī)范值是否相符，同樣它也是最直接、最有效、最全面檢驗(yàn)橋梁性能及運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)靜載試驗(yàn)理論公式，活載所在最不利參數(shù)按下列公式所定原則等效換算[2]而得：

0.80≤η=Sstat/S(1+μ)≤1.00

(1)

對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)下的測(cè)點(diǎn)，布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，先按照以上方法分別計(jì)算出三個(gè)方向的彈性應(yīng)變?chǔ)艔?，然后按照以下公式算出最大主?yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力的方向。

(2)

(3)

(4)

(5)

μ為泊松比。

試驗(yàn)荷載根據(jù)要求采用軸距1.4m的前一軸后兩軸的載重貨車加載，每輛車凈重均在30t，車輛的立面布置見(jiàn)圖3。

圖 3 加載汽車軸重、軸距及平面圖(m)

采用MidasCivil2012進(jìn)行分析計(jì)算，本橋采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，幾何參數(shù)根據(jù)提供的設(shè)計(jì)圖紙輸入。主梁采用空間梁?jiǎn)卧猍3]，全橋模型共包括57個(gè)空間梁?jiǎn)卧?，總?jié)點(diǎn)數(shù)為56(圖4)。約束條件為：0#橋臺(tái)、1#墩、3#墩支座為滑動(dòng)支座，2#墩支座為固定支座，滑動(dòng)支座及固定支座采用一般支撐來(lái)模擬，滑動(dòng)支座順橋位移向不約束。

圖 4 某公路橋有限元模型示意圖

圖5為主梁在活載作用下的彎矩及位移包絡(luò)圖。

圖 5 活載彎矩圖(kN.m)

篇幅有限，僅列出輪位5作用下5-5截面最大正彎矩對(duì)稱加載下應(yīng)力，均小于計(jì)算值，5-5截面頂板測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.66，底板測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.51。殘余應(yīng)變較小，荷載作用下殘余應(yīng)變率均在20%以內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。主梁實(shí)測(cè)撓度均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.86之間。其撓度曲線見(jiàn)圖6。

圖 6 輪位5加載主梁撓度曲線圖

在試驗(yàn)荷載作用下，受力控制斷面的實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.88之間，實(shí)測(cè)應(yīng)力在正常范圍之內(nèi),梁體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 在試驗(yàn)荷載作用下，各跨跨中撓度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值較吻合，校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.88之間，實(shí)測(cè)結(jié)果也小于規(guī)范限值(L/600), 表明梁體抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求。在偏心荷載作用下，最大偏載系數(shù)為1.07[4]，在通常設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)：施加橋梁車輛荷載或者是環(huán)境荷載，隨之橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，通過(guò)儀器測(cè)量反應(yīng)出橋梁本身的頻率、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)等參數(shù)構(gòu)件[5]，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前運(yùn)行的整體動(dòng)力剛度、行車性能。動(dòng)載試驗(yàn)主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)兩部分(無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn))測(cè)試兩種工況下橋梁的自振特性和在車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng) 篇幅有限僅列出該橋第二跨跨中原地跳車試驗(yàn)，其測(cè)點(diǎn)及振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 篤實(shí)橋第二跨跨中原地跳車試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果 mm

從表1可以看出：第二跨跨中原地跳車時(shí)，主橋豎向測(cè)點(diǎn)振幅最大值為0.62mm，橋梁橫向?qū)崪y(cè)點(diǎn)的振幅均不大于0.13mm。說(shuō)明該橋面平整度較好。

沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)，沖擊系數(shù)的取值為：

當(dāng)f<1.5 Hz時(shí)，μ=0.05；當(dāng)1.5 Hz14 Hz 時(shí)，μ=0.45；橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)基頻為1.65 Hz，設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)取值為0.073。

動(dòng)應(yīng)變測(cè)試跑車試驗(yàn)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。圖7為30 km/h跑車試驗(yàn)第二跨跨中處箱梁底板動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線?？梢钥闯觯瑢?shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.062，平均值最大為0.050，小于設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)值0.073，符合規(guī)范要求。

圖 7 篤實(shí)橋跑車試驗(yàn)第二跨跨中應(yīng)變時(shí)程圖

車速/(km·h-1)次數(shù)12100．0320．043200．0490．051300．0570．062400．0530．054最大值0．062均值0．050

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，公路橋豎向振動(dòng)一階頻率為1.65 Hz，實(shí)測(cè)低階頻率均大于計(jì)算值1.22 Hz，表面實(shí)際橋梁動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)上部結(jié)構(gòu)的自振頻率的數(shù)值基本上都在理論計(jì)算頻率的1.10倍以上，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)，篤實(shí)橋主橋自振頻率評(píng)定標(biāo)度為1。

實(shí)橋?qū)崪y(cè)橋梁，阻尼比最大值不超過(guò)1.962%，最小值不低于1.537%，都在允許范圍之內(nèi)。

進(jìn)行跑車試驗(yàn)時(shí)，實(shí)橋豎向振幅均小于0.76 mm，豎向振幅隨著車速提高，有緩慢增大的趨勢(shì)，但并不明顯；其橫向振幅最大值均不超過(guò)0.18 mm，橫向振幅與車速的關(guān)系不明顯，

一般在均值附近波動(dòng)。第二跨跨中原地跳車時(shí)，主橋豎向測(cè)點(diǎn)振幅最大值為0.62 mm，橫橋向測(cè)點(diǎn)振幅最大值為0.14 mm。篤實(shí)橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.062，平均值最大為0.050，小于設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)值0.073，符合規(guī)范要求。

3 結(jié)論

公路橋在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的試驗(yàn)荷載作用下，通過(guò)測(cè)試大橋的應(yīng)力、變形、動(dòng)力響應(yīng)等測(cè)試參數(shù)可知：應(yīng)力及撓度實(shí)測(cè)結(jié)果均小于計(jì)算值，橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況，橋梁實(shí)際強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，測(cè)試的結(jié)果能全面準(zhǔn)確地反應(yīng)出橋梁日常使用過(guò)程的工作性能，橋梁工作性能滿足設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)要求。橋梁服役過(guò)程中，應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)的管養(yǎng)工作，減小動(dòng)荷載的沖擊效應(yīng)。

[1] 陳永耀，成平，周榮貴, 等. 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTGB01-2003)[M]. 銀川：寧夏音響出版社，2003.

[2] 龍志剛. 淺談連續(xù)鋼構(gòu)橋荷載試驗(yàn) [J].黑龍江交通科技，2014，8(4):99-101.

[3] 顏永先,胡美,李曉婭.基于靈敏度分析的大跨橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型優(yōu)化研究[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，9(3)：16-21.

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[5] 張武毅，湯建林. 大跨徑鋼箱梁斜拉橋靜載試驗(yàn)研究[J]. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014，6(2):1-6.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Load Test Research of Highway Bridge

LIU Yaodong1， CAO Hongyan1， TANG Qi1， ZHANG Ruogang2， XUE Qilin2

(1SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China2BridgeeSci.ResearchInstituteLtd,ChinaRailwayMajorBridgeEngin.Group,Wuhan43003，China)

According to the number of static load tests required to load and conditions of each wheel position vehicle arrangement, and the most unfavorable safety condition, the paper obtains the equivalent parameters based on the standards of theoretical formula and design. Simulation of the bridge Changes of internal force and displacement of each condition model have been conducted. adopting midas / civil finite element to directly understand real working state of the bridge structure under the test load. It has also tested the bridge actual bearing performance and design calculation to evaluate whether the actual bearing capacity and its performance is within design using load. With static and dynamic calculation results compared with those of the load test,and combined with the relevant specification, it has finally determined whether the structure bearing capacity and working performance meet the design and specification requirements.

the constant load; dynamic loads; the live load deflection

2016-03-21

劉耀東(1969-)， 男， 山東滕州人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)闃蛄汗こ?/p>

1003-4684(2017)02-0099-03

TU997

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