在役鋼結(jié)構(gòu)橋梁提升跨的承載狀態(tài)綜合分析與評價①

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司, 天津 300451)

0 引 言

隨著交通流量不斷增加，大型重載交通工具逐漸增多，橋梁作為聯(lián)系交通的重要環(huán)節(jié)，負(fù)荷壓力越來越大，確保在役橋梁主體結(jié)構(gòu)安全性能顯得尤為重要[1～3],然而，運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生局部或整體倒塌事故不在少數(shù)[4,5]，例如，1940年美國塔科馬海峽大橋，在低于設(shè)計風(fēng)荷載作用下發(fā)生共振效應(yīng)而發(fā)生橋面折斷式垮塌；1994年韓國年圣水大橋發(fā)生倒塌事故，主要原因在于偷工減料及疏于管理；2007年美國密西西比河大橋，因支座嚴(yán)重腐蝕等結(jié)構(gòu)缺陷未得到相關(guān)部門的重視而導(dǎo)致倒塌事故。由此可見，采用合理的檢測技術(shù)評估橋梁的工作性能，對防止橋梁倒塌等嚴(yán)重事故發(fā)生具有重要意義。

上世紀(jì)國外研究人員便提出諸多研究成果，并開發(fā)了橋梁無損檢測技術(shù)，同時集成化、輕量化的檢測技術(shù)相繼被提出，例如激光全息干涉技術(shù)、振動仿真技術(shù)等。在我國上世紀(jì)80年代中期，在國外研究成果的基礎(chǔ)上，四川、廣東及北京等地分別建立了橋梁數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在役橋梁承載力安全狀態(tài)逐漸受到關(guān)注。上世紀(jì)90年代，交通部提出在役橋梁的檢測與加固技術(shù)要求，進(jìn)一步提高重視程度，在役橋梁的承載能力狀態(tài)評價也逐漸成為研究熱點。由此可見，在役橋梁的承載狀態(tài)已受到了國內(nèi)外工程人員的廣泛關(guān)注。

可提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁能滿足多種交通形式，因此在沿海地區(qū)應(yīng)用較廣泛。然而由于鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕差、穩(wěn)定性要求高等特點對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求[6-8]。既有橋梁的承載力是橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的重要方面，目前主要采用靜載試驗及動載試驗進(jìn)行分析評價[9-11]?；诖?，將依托工程實例，開展可提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性評價研究，并通過歷年檢測數(shù)據(jù)對比分析提出該橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件應(yīng)力變化趨勢及動力特性變化規(guī)律，具有重要的理論價值和實際意義。

1 工程概況

該工程始建于1980年，位于沿海地區(qū)，主橋部分為全鋼結(jié)構(gòu)升降式開啟橋。主橋共5跨，跨度分別為48m、64m(中間升降部分)。橋面寬度為20m，下部支承結(jié)構(gòu)為高度8m的三角形桁架。最大提升高度為24m。該橋梁分別于1985 年、1996 年、2005 年、2007 年、2016年對進(jìn)行了靜載試驗及動力性能測試，同時于1997年對橋梁部分桿件進(jìn)行局部加強(qiáng)處理。

2 工程實例

2.1 模型建立

根據(jù)該橋梁提升跨的結(jié)構(gòu)特點，采用大型有限元軟件MIDAS Civil進(jìn)行建模分析。該軟件能夠合理運(yùn)用橋梁分析理論，將橋梁基本設(shè)計過程與研究分析過程有機(jī)結(jié)合，因此得到了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。建模分析中，單元類型主要采用桁架單元、一般梁單元及板單元三種單元類型，提升跨模型構(gòu)造圖如下圖2所示。其中，桁架單元定義為單向承受拉力和壓力的三維空間單元，僅2個自由度；梁單元則定義為等截面的三維梁單元，具有6個自由度；板單元定義為4節(jié)點平面板單元，由同一平面上的3個或4個節(jié)點構(gòu)成，具有6個自由度。此外，結(jié)構(gòu)局部存在的加勁肋，通過計入平板厚度方式考慮其剛度影響。桁架單元與梁單元相連接時采用約束桁架單元旋轉(zhuǎn)自由度的方式來避免計算發(fā)生奇異。

圖1 橋梁全景圖

圖2 提升跨模型

圖3 自振頻率計算結(jié)果

2.2 荷載取值

永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝以及螺栓、人行道荷載等。其中結(jié)構(gòu)自重由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件密度自動計算；橋面鋪裝主要為環(huán)氧樹脂瀝青，取25kN/m3；螺栓、人行道等其他荷載根據(jù)實際情況，取2325kN，折算為均布荷載施加于橋面。

可變荷載主要為汽車荷載，其中汽車車道荷載由均布荷載和一個集中荷載組成，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值為Pk=360kN。汽車荷載沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)μ。沖擊系數(shù)μ結(jié)構(gòu)基頻由程序自動計算。

2.3 動力特性分析

依據(jù)有限元分析方法，提出如圖3所示的主橋提升跨結(jié)構(gòu)的前6 階頻率、周期和振型，可以看出，結(jié)構(gòu)基本振型為全橋豎向彎曲振動，基頻為2.32Hz。

3 靜載試驗

3.1 加載方案

為了便于與歷年靜載試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，本次對主橋提升跨的靜載試驗采取3個試驗工況，即：(1)主桁架跨中上弦桿最大壓力；(2)主桁架跨中下弦桿最大拉力；(3)主桁架邊斜桿最大壓力。根據(jù)靜載試驗荷載效率要求，確定每一試驗工況所需加載車輛的數(shù)量和布置方式。本次對主橋提升跨的靜載試驗采取一種布置方案滿足3個試驗工況要求。表1列出了主橋提升跨靜載試驗的試驗工況和荷載效率系數(shù)。

表1 加載工況和荷載效率系數(shù)

表中，“-”表示內(nèi)力值為軸向壓力，“+”表示內(nèi)力值為軸線拉力(省略)。

為了保證主橋提升跨靜載試驗時的結(jié)構(gòu)安全，試驗加載采用2級加載，圖4分別給出了第一級加載(即半載)和第二級加載(即滿載)時車輛布置平面圖。

3.2 測點布置

應(yīng)力測試主要量測主桁架的跨中上弦桿、跨中下弦桿和斜桿的應(yīng)力，共6個測試桿件，在每根桿件測試截面內(nèi)外側(cè)各對稱布置1個測點(編號分別為測點A和B)，共布置12個應(yīng)力測點，如圖5所示。撓度測試的測點布置，撓度測試主要量測提升跨的跨中豎向撓度，在提升跨跨中位置橋面沿橫橋向布置3個測點，在提升跨兩端位置各布置1 個測點，同時在橋墩上布置1 個基準(zhǔn)測點，如圖6所示。

3.3 應(yīng)變測試結(jié)果

表2分別給出了主橋提升跨主桁架各檢測桿件的實測應(yīng)力變化值及校驗系數(shù)。表中應(yīng)力變化值的正值表示拉應(yīng)力增加或壓應(yīng)力減小，負(fù)值“-”表示拉應(yīng)力減小或壓應(yīng)力增加；校驗系數(shù)為滿載時A號測點和B號測點實測應(yīng)力的平均值與理論計算值的比值。圖7給出了上述各檢測桿件的殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)變率，殘余應(yīng)變率是殘余應(yīng)變值與滿載時應(yīng)變值的比值。

圖4 加載方案

測試桿件測點桿件應(yīng)力測試值/MPa半載滿載桿件應(yīng)力計算值/MPa校驗系數(shù)D-1A-36.20-55.64B-33.27-53.68-50.441.09D-2A-36.54-54.96B-33.19-53.50-50.441.07D-3A20.2038.64B20.7641.7557.620.70D-4A20.8341.31B22.1542.9157.620.73 D-5A-15.06-40.02B-13.78-35.97-34.141.12D-6A-13.40-35.92B-13.75-36.72-34.141.07

圖5 應(yīng)變測點布置圖

圖6 撓度測點布置圖

圖7 殘余應(yīng)變測試結(jié)果

圖8 歷年測試結(jié)果對比

圖9 撓度測試結(jié)果

圖10 自振頻率測試結(jié)果

可以看出，該橋梁提升跨跨中上弦桿的校驗系數(shù)為1.09 和1.07，均大于1；跨中下弦桿的校驗系數(shù)為0.70 和0.73，均小于1；邊斜桿的校驗系數(shù)為1.12 和1.07，均大于1。理論計算值采用平面桁架模型，沒有考慮橋面系的影響對結(jié)果存在一定影響，但上弦桿及斜腹桿的內(nèi)力校驗系數(shù)均大于1，將影響結(jié)構(gòu)的整體剛度。同時所有桿件殘余應(yīng)變均在5%以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定小于20%的要求，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

為了進(jìn)一步分析橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，將靜載試驗所測得的桿件應(yīng)力和校驗系數(shù)結(jié)果與歷年靜載試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如下圖8所示。圖中可以看出，隨著服役時間的增加，該橋梁提升跨測試桿件的內(nèi)力校驗系數(shù)均不斷增加，并于1996年達(dá)到峰值，且此時大部分測試桿件的內(nèi)力校驗系數(shù)均大于1.05，趨于不安全狀態(tài)。經(jīng)歷1997年對局部桿件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固后，2007年各桿件的內(nèi)力校驗系數(shù)顯著降低，結(jié)構(gòu)安全性能顯著提高。隨后此次試驗結(jié)果表明，各測試桿件的內(nèi)力校驗系數(shù)在一定程度上有所提高。

3.4 撓度測試結(jié)果

圖9給出了靜載試驗中該橋梁提升跨各測點撓度變化規(guī)律?？梢钥闯鰳蛎婵缰懈鳒y點處豎向撓度的最大值為40.51mm，各測點處豎向撓度的校驗系數(shù)為0.92～1.09。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，車輛荷載作用下的跨中豎向撓度限值為L/800，其中L為簡支梁的計算跨徑。據(jù)此可以計算得到主橋提升跨跨中豎向撓度限值為4000mm/800=80mm，實測提升跨跨中豎向撓度的最大值為40.51mm<80mm，因此主橋提升跨的跨中豎向撓度滿足規(guī)范要求。

4 動力性能試驗

結(jié)構(gòu)的動力特性主要包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比，它們僅取決于結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布、材料性質(zhì)等，是結(jié)構(gòu)本身的固有參數(shù)；結(jié)構(gòu)的動力特性可以反映出結(jié)構(gòu)的工作是否正常、安全，存在何種問題，薄弱環(huán)節(jié)在何處。為了對該橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入分析，對主橋提升跨進(jìn)行豎向自振頻率的測試，并與理論計算值以及歷年的測試結(jié)果進(jìn)行比較。

隨著服役年限的增長，該橋梁提升跨自振頻率呈降低趨勢，且經(jīng)歷1997年局部桿件補(bǔ)強(qiáng)加固后，結(jié)構(gòu)豎向自振頻率略微提高，隨后2016年所測的自振頻率顯著降低。對提升跨豎向自振頻率的測試結(jié)果較1986 年的測試結(jié)果降低了6.5%，較1996 年的測試結(jié)果降低了10%，較2006 年的測試結(jié)果降低了7.4%。結(jié)構(gòu)自振頻率的平方與結(jié)構(gòu)的剛度成正比，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化不大的情況下，結(jié)構(gòu)自振頻率的變化可以反映結(jié)構(gòu)剛度的變化，因此自振頻率的降低，反映出提升跨整體剛度有所下降。

5 結(jié) 論

為了深入分析鋼結(jié)構(gòu)橋梁可提升跨的安全性能高，為相關(guān)橋梁的加固、維護(hù)等提供重要的科學(xué)依據(jù)，依托實際工程，通過靜載試驗及動力特性測試，結(jié)合有限元分析方法，對安全性能進(jìn)行深入分析與研究，得到以下主要結(jié)論：

1)結(jié)合有限元計算及動力測試結(jié)果，目前該橋梁提升跨的運(yùn)行狀態(tài)較差，需要進(jìn)行加固處理。

2)隨著服役年限的增加，提升跨的桁架各桿件均存在承載力退化現(xiàn)象，且上弦桿及斜腹桿退化速度更快；隨著服役年限增加，結(jié)構(gòu)整體振動頻率不斷下降，表明結(jié)構(gòu)剛度不斷降低，運(yùn)行狀態(tài)變差。

3)對局部桿件進(jìn)行加固后，桿件的承載力顯著改善，整體振動頻率略微增加，但在其后服役年限內(nèi)上述指標(biāo)的劣化速度加快。