某連續(xù)箱型梁橋動(dòng)靜載試驗(yàn)分析①

王 震，趙 青

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于橋梁﹑公路等基礎(chǔ)設(shè)施的要求也在不斷的提高，而橋梁作為交通系統(tǒng)的咽喉，是江河懸崖等特殊地段可以通行的關(guān)鍵[1-2]。為了解新建橋梁的結(jié)構(gòu)性能和承載能力，檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工的質(zhì)量，保證運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全，需要對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，分析得出橋梁的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，判斷其相關(guān)性能是否達(dá)到安全通行的要求[3-4]。

1 工程概況

該橋橋面寬度為24.5 m，具體布置為：2×[0.5 m(護(hù)欄)+10.75 m(行車道)+0.75 m(護(hù)欄)] +0.5 m(中央分隔帶)，雙向4車道。主橋長(zhǎng)220 m，上部結(jié)構(gòu)為四跨一聯(lián)(40+70+70+40)m變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)；采用實(shí)體式橋墩，矩形承臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；主橋和引橋的材料使用標(biāo)號(hào)為C50的混凝土。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)的行車速度：80km/h?，F(xiàn)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)，為橋梁竣工驗(yàn)收提供參考，并為以后的狀態(tài)評(píng)定提供原始數(shù)據(jù)。

2 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件midas/civil建立結(jié)構(gòu)分析模型，其中將箱梁結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，選擇5個(gè)截面，分別為墩頂-跨中截面，橫隔板截面，跨中-墩頂截面，墩頂截面，跨中截面，材料為C50混凝土，下圖展示模型箱梁部分，如圖1所示[5]。

圖1 有限元模型圖

3 靜載試驗(yàn)[6-8]

3.1 靜載試驗(yàn)原理

靜載試驗(yàn)原理是通過(guò)在橋梁的指定位置，施加靜止的標(biāo)準(zhǔn)荷載或者標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的等效荷載，以測(cè)定應(yīng)變，撓度等數(shù)據(jù)，并通過(guò)荷載效率和效驗(yàn)系數(shù)對(duì)橋梁的相關(guān)情況進(jìn)行判斷。

3.2 測(cè)試截面選擇

由于該橋主橋是四跨一聯(lián)(40+70+70+40m)預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，試驗(yàn)聯(lián)跨段的確定按以下原則考慮：(1)在這段橋跨中，橋跨的受力較為不利，可以得出較不利位置的試驗(yàn)結(jié)果；(2)橋梁各跨結(jié)構(gòu)相似，試驗(yàn)橋跨具有一定的代表性，其試驗(yàn)結(jié)果可以代表其他同類橋跨的性能；(3)試驗(yàn)橋跨便于進(jìn)行荷載的布置。

通過(guò)有限元軟件模擬出主橋的彎矩包絡(luò)圖，如圖2所示。由主橋彎矩包絡(luò)圖可知，連續(xù)梁橋沿橋跨縱向正彎矩以跨中作為控制、負(fù)彎矩以墩頂支座作為控制，從而確定第2孔跨的三個(gè)主要控制截面，即第2孔跨的墩頂負(fù)彎矩，L/4截面，跨中正彎矩三處，如圖3的A、B、C三個(gè)截面所示。

確定五種試驗(yàn)工況，工況一：A截面處梁最大內(nèi)力的加載試驗(yàn)；工況二：B截面處梁內(nèi)力的加載試驗(yàn)；工況三：C截面處梁最大內(nèi)力的加載試驗(yàn)；工況四：B截面處梁撓度的加載試驗(yàn)；工況五：C截面處梁最大撓度的加載試驗(yàn)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下主橋彎矩My包絡(luò)圖

圖3 試驗(yàn)聯(lián)第二孔跨各測(cè)試控制截面位置圖 (單位：m)

3.3 截面測(cè)點(diǎn)布置

主梁每個(gè)正彎矩控制截面布置2個(gè)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)點(diǎn)，負(fù)彎矩控制截面布置2個(gè)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)點(diǎn)，在兩側(cè)距防撞欄桿底座邊緣處布置撓度控制測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

3.4 試驗(yàn)荷載及其布置

試驗(yàn)使用滿載后重量為402kN的汽車進(jìn)行加載，車輛前軸重均值60kN，后軸重均值342kN。一共有五種試驗(yàn)工況，工況一采用三級(jí)加載的方式，加載車輛逐級(jí)增加，分別為四輛車﹑六輛車和八輛車；其余四種工況均按照二級(jí)加載，第一級(jí)加載布置兩輛車，第二級(jí)加載布置四輛車。

3.5 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.5.1 試驗(yàn)荷載效率分析

列出工況一到工況五試驗(yàn)荷載下的計(jì)算值和標(biāo)準(zhǔn)活荷載下的計(jì)算值，計(jì)算得出試驗(yàn)荷載效率，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)荷載效率

3.5.2 應(yīng)變分析

采用DH3819無(wú)線靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行該橋的應(yīng)變檢測(cè)，選取工況一至工況三中的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較，并計(jì)算得出殘余變形和應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)。結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)變結(jié)果評(píng)定表

3.5.3 撓度分析

撓度檢測(cè)儀器采用北京光電技術(shù)研究所BJQN-V橋梁撓度儀。選取工況四和工況五中幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比，計(jì)算得出撓度效驗(yàn)系數(shù)，截面撓度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 撓度結(jié)果評(píng)定表

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載試驗(yàn)原理

動(dòng)載試驗(yàn)主要測(cè)定試驗(yàn)橋跨的頻率，振型，沖擊系數(shù)，阻尼比等，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)測(cè)試得出，理論數(shù)據(jù)通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件midas/civil模擬得出，最終將實(shí)測(cè)值與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)橋梁動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

由于橋梁結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將該聯(lián)傳感器主要布置在試驗(yàn)梁段的支點(diǎn)附近、L/4截面、L/2截面和3L/4截面。第一跨支點(diǎn)附近設(shè)置固定測(cè)點(diǎn)，第一跨L/4截面處設(shè)置移動(dòng)測(cè)點(diǎn)，其余三跨的L/4截面處設(shè)置固定測(cè)點(diǎn)，第一跨至第四跨的L/2截面處和3L/4截面處均設(shè)置移動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)方案

剎車試驗(yàn)：用一輛和并行的兩輛載重汽車(每輛重約400kN)以20km/h、30km/h的速度勻速行駛到指定測(cè)試斷面時(shí)進(jìn)行緊急剎車。

脈動(dòng)試驗(yàn)：通過(guò)采集試驗(yàn)橋跨在橋址環(huán)境隨機(jī)荷載作用下的振動(dòng)信號(hào)，利用測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)分析處理功能對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

4.4 動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.4.1 剎車數(shù)據(jù)分析

通過(guò)試驗(yàn)可以得出，在20km/h的剎車曲線中，所測(cè)微應(yīng)變最大值為24.320，最小值為-4.226。在30km/h的剎車曲線中，微應(yīng)變最大值為23.979，最小值為-7.362。

4.4.2 沖擊系數(shù)分析

由試驗(yàn)中測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)可得該橋的沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)結(jié)果為1.017。

4.4.3 模態(tài)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可得該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性值(振動(dòng)頻率，阻尼比)等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4所示，其一階至三階實(shí)測(cè)振動(dòng)模型與理論振動(dòng)模型如圖5所示。

圖4 A、B、C截面彎曲應(yīng)力和撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

表4 頻率及阻尼比

圖5 前三階實(shí)測(cè)振型和理論振型

5 結(jié) 論

(1) 在靜載試驗(yàn)中，通過(guò)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以得出，試驗(yàn)荷載效率在0.95～1.03之間，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)劃》可知，橋梁的試驗(yàn)荷載效率應(yīng)當(dāng)介于0.85～1.05之間，顯然符合要求；各控制測(cè)量截面卸載后殘余值較小，說(shuō)明橋梁的受壓后變形恢復(fù)能力較好，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.39～0.74之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.51～0.73之間，說(shuō)明橋梁的彈性性能良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 在動(dòng)載試驗(yàn)中，通過(guò)軟件對(duì)該橋梁的模態(tài)進(jìn)行模擬，結(jié)合試驗(yàn)所測(cè)得的實(shí)際值，可得其一階實(shí)測(cè)頻率為1.563Hz，一階理論頻率為1.469Hz，二階實(shí)測(cè)頻率為2.441Hz，二階理論頻率為2.419Hz，實(shí)測(cè)值皆大于理論值，且各階豎彎模態(tài)實(shí)測(cè)振型與理論振型非常吻合，沖擊系數(shù)為1.017，說(shuō)明該橋試驗(yàn)跨整體剛度較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能。

(3) 試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，具有良好的剛度，且動(dòng)力性能較好。