大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋測(cè)試技術(shù)研究

張來強(qiáng)

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

某公路橋梁上部結(jié)構(gòu)采用箱型拱橋，其荷載按汽車-20級(jí)和掛車-100級(jí)確定，橋面凈寬為9 m。橋梁建設(shè)完畢后，為對(duì)其質(zhì)量與通車安全性進(jìn)行評(píng)定，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)其開展荷載試驗(yàn)。現(xiàn)以本工程為例，對(duì)其測(cè)試技術(shù)作如下深入分析和介紹。

2 測(cè)試內(nèi)容

(1)現(xiàn)狀普查。采用現(xiàn)狀普查的方法能掌握橋梁在竣工交付使用以后軸線情況和是否存在病害，如混凝土裂縫與剝落，以此為之后的內(nèi)力計(jì)算和荷載方案制定等提供可靠參考依據(jù)。

(2)靜載試驗(yàn)。在橋梁試驗(yàn)荷載條件下，對(duì)各個(gè)控制截面實(shí)施應(yīng)力測(cè)試；在橋梁試驗(yàn)荷載條件下，對(duì)各個(gè)控制截面實(shí)施撓度觀測(cè)。

(3)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。在橋梁動(dòng)力荷載條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行測(cè)定，包括動(dòng)力系數(shù)、動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)位移；在橋梁動(dòng)力荷載條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征進(jìn)行測(cè)定，包括自振頻率、阻尼系數(shù)與衰減。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 加載車輛

通過驗(yàn)算，試驗(yàn)荷載為汽車-20級(jí)。為了有效減少汽車的數(shù)量，縮短試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，以截面內(nèi)力為依據(jù)，實(shí)施等效換算，使荷載效率保持在0.8～1.0范圍內(nèi)。在本次試驗(yàn)中，共采用3臺(tái)23 t汽車，3臺(tái)20 t汽車與9臺(tái)13 t汽車。

3.2 工況分析

在本次試驗(yàn)中，共設(shè)置了23個(gè)工況，其測(cè)試內(nèi)容為：

(1)邊跨：在加載條件下對(duì)拱頂截面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；(2)邊跨：在加載條件下對(duì)L/4截面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；(3)邊跨：在加載條件下對(duì)A岸拱腳截面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；(4)邊跨：在加載條件下對(duì)B岸拱腳截面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；(5)邊跨：在加載條件下對(duì)拱頂截面進(jìn)行撓度測(cè)量；(6)邊跨：在加載條件下對(duì)L/4截面進(jìn)行撓度測(cè)量；(7)中跨：在加載條件下對(duì)拱頂截面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；(8)中跨：在加載條件下對(duì)拱頂截面進(jìn)行撓度測(cè)量。

3.3 加載流程

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中進(jìn)行分級(jí)加載，第一級(jí)荷載為總荷載40%，第二級(jí)荷載為總荷載70%，第三級(jí)荷載為總荷載100%，施加完一級(jí)荷載后，應(yīng)持荷5～10 min，且卸荷穩(wěn)定時(shí)間按10～15 min控制。

3.4 結(jié)果與分析

在靜載試驗(yàn)條件下，撓度測(cè)量結(jié)果為：邊跨跨中撓度為5 mm，邊跨L/4截面撓度為4 mm，中跨跨中撓度為5 mm；應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)條件下橋梁應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(MPa)

在試驗(yàn)的條件下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撓度值比理論值小，而且比規(guī)范值更小，檢驗(yàn)系數(shù)處于允許范圍，同時(shí)卸載之后的殘余變形很小，說明結(jié)構(gòu)處在理想狀態(tài)。

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首先，荷載效率處在0.8～1.0范圍內(nèi)，屬于基本荷載試驗(yàn)，重點(diǎn)截面的應(yīng)力狀態(tài)和設(shè)計(jì)基本相同，整個(gè)橋梁的力學(xué)狀態(tài)均正常；承載力滿足設(shè)計(jì)要求，可正常、良好使用。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 加載工況

工況一：由兩輛車在沿橋梁軸線相對(duì)稱的位置按30 km/h的速度做勻速行駛；

工況二：由兩輛車在沿橋梁軸線相對(duì)稱的位置按40 km/h的速度做勻速行駛；

工況三：由兩輛車在沿橋梁軸線相對(duì)稱的位置按50 km/h的速度做勻速行駛；

工況四：由兩輛車在沿橋梁軸線相對(duì)稱的位置按60 km/h的速度做勻速行駛；

工況五：由一輛車在橋梁L/2位置按50 km/h的速度進(jìn)行緊急剎車；

工況七：由一輛車在橋梁L/4位置進(jìn)行跳車試驗(yàn)。

4.2 結(jié)果與分析

(1)動(dòng)力特性

對(duì)結(jié)構(gòu)而言，其自振特性由結(jié)構(gòu)自身各項(xiàng)固有性質(zhì)決定，用于表述結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)具有的各項(xiàng)基本特征，是后續(xù)動(dòng)力分析需要參考的依據(jù)。在本次測(cè)試中，于橋梁跨中施加沖擊荷載，并進(jìn)行環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)，促使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)信號(hào)，再通過分析處理獲得固有頻率及阻尼比，在測(cè)試過程中，利用加速度計(jì)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拾取，再利用計(jì)算機(jī)采集所有振動(dòng)信號(hào)，并作必要的記錄與分析處理，分析結(jié)果如表2所示。

表2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)力特性分析結(jié)果

(2)動(dòng)力響應(yīng)

在橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)條件下，結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力響應(yīng)為結(jié)構(gòu)和振動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)作用產(chǎn)生的結(jié)果，在本次試驗(yàn)中，通過對(duì)橋梁結(jié)果在各類車輛動(dòng)載條件下的影響特性測(cè)定來獲取動(dòng)力響應(yīng)，包括動(dòng)力數(shù)、動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)位移，具體結(jié)果如表3所示。

表3 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果

對(duì)表2、3數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可得以下結(jié)果：(1)邊跨自振頻率為1.201 Hz；(2)邊跨阻尼比為0.036 6；(3)邊跨混凝土動(dòng)應(yīng)變?yōu)?9.4；(4)邊跨加速度為0.295 cm/s2；(5)邊跨應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.128。

測(cè)試橋跨在縱向豎直方向上的一階頻率可確定為1.201 Hz，相應(yīng)的阻尼比為0.036 6；當(dāng)以30～60 km/h的速度進(jìn)行試驗(yàn)后，應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)處于1.041～1.128之內(nèi)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，該橋梁沖擊效應(yīng)不明顯，說明結(jié)構(gòu)具備一定抗沖擊性，然而，應(yīng)變及其增大系數(shù)與加速度都有伴隨車速提高而增大的可見趨勢(shì)。

5 結(jié)束語

綜上所述，橋梁測(cè)試，尤其是大跨徑橋梁的測(cè)試對(duì)保證橋梁運(yùn)營安全具有重要作用和意義，必須引起相關(guān)部門及人員的高度重視，根據(jù)橋梁實(shí)際情況和特點(diǎn)，確定適宜的測(cè)試內(nèi)容，然后采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄩ_展試驗(yàn)與測(cè)試，以保證試驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性、準(zhǔn)確性，為質(zhì)量和安全性評(píng)定提供可靠參考依據(jù)。