基于荷載試驗對加固后的四跨連續(xù)斜橋承載力研究

伍學(xué)慧 王保兵

1.中通工程設(shè)計有限公司，中國·云南 昆明 650011

2.云南通衢工程檢測有限公司，中國·云南 昆明 650011

某高速公路上跨橋通行車輛超載嚴(yán)重，橋梁1#跨、4#跨出現(xiàn)不同程度裂縫，目前該橋兩邊跨已采取一定的維修措施。為對橋梁結(jié)構(gòu)作出總體評價，科學(xué)制定橋梁維修加固方案和為運(yùn)營管理措施提供技術(shù)依據(jù)，研究該橋在偏載作用下的應(yīng)變和撓度；通過模態(tài)試驗和無障礙跑車試驗來測試該橋的固有自陣特性和動力響應(yīng)，將上述實測結(jié)果與理論值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在靜載作用下，該橋的相對殘余變形均滿足檢測規(guī)程中不大于20%的要求；校驗系數(shù)均滿足檢測規(guī)程的限值且小于1；在動力荷載作用下，該橋豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程中該比值大于等于0.90 的要求；對應(yīng)阻尼比分別為0.028、0.032、0.039；動載跑車試驗得到的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，小于基頻計算的沖擊系數(shù)（0.241），說明該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平。

連續(xù)斜橋；加固；荷載試驗；沖擊系數(shù)；承載能力

1 引言

隨著時代的不斷發(fā)展，人民的生活水平越來越好，中國的公路交通迅猛發(fā)展，運(yùn)營車輛超載已成為十分普遍的現(xiàn)象。由于普遍的超載現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)的超負(fù)荷工作增加了其損傷的幾率。而橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，當(dāng)出現(xiàn)由于超載現(xiàn)象引起的結(jié)構(gòu)損傷時，必須采取重視對其進(jìn)行承載能力進(jìn)行評定以確定橋梁的真實受力狀況。

目前，中國的斜交橋建設(shè)越來越成熟，它的身影在城市立交中隨處可見，由于其受力和傳力的特殊性，中國相關(guān)的業(yè)內(nèi)人員對斜橋的荷載試驗進(jìn)行了研究，并獲得了一定的成果。周愛國[1]對某斜交空心板橋荷載試驗空間效應(yīng)研究；張炯[2]等對斜交T 梁橋荷載試驗分析研究；姜基建等[3]對斜交箱梁橋靜動力特性試驗分析研究；劉小軍[4]對某斜交梁橋荷載試驗計算分析；魏煒、李滿囤等[5]對某鋼筋混凝土斜板橋極限承載力試驗研究；王道鋒[6]對斜交板梁橋荷載試驗時的橫向分布問題的研究；陳一寧[7]通過荷載試驗檢驗橋梁加固效果的研究。但是，目前中國通過荷載試驗來檢驗多跨連續(xù)斜橋加固后的實際效果的研究卻很欠缺。因此，開展多跨連續(xù)斜橋加固后的荷載試驗研究，具有重大的理論價值，同時對以后相同的工程具有積極的借鑒意義。

論文以建成于1999年的某高速公路上跨橋為背景，橋梁上部結(jié)構(gòu)為19m+21m+21m+19m 普通鋼筋混凝土連續(xù)板橋，橋梁斜交，斜度為45 度。主梁為現(xiàn)澆實心板，厚100cm；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土薄壁輕型橋墩（臺）；橋面寬度：0.40m(護(hù)欄)＋7.20m(機(jī)動車道)+ 0.40m(護(hù)欄)＝8m。該橋的立面圖如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖

試驗跨按連續(xù)梁考慮，并利用MIDAS/Civil 建立單梁模型分析計算，模擬公路-II 級荷載進(jìn)行試驗確定出該橋測試截面的應(yīng)變、撓度的理論值，掌握橋梁的影響線并確定加載位置、加載噸位，建模時采用以下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料且彈性模量都為常數(shù)；

（2）截面變形符合平截面假設(shè)；

（3）僅實心板本身參與受力；

（4）不考慮鋼筋換算面積、混凝土開裂等因素對主梁剛度的影響。

橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 計算模型圖

2 橋梁靜載試驗

2.1 靜載試驗原則

靜載試驗主要是把加載車輛布置于主要測試截面上來測定各測點(diǎn)應(yīng)變、撓度，并與理論值相比，獲得相對殘余變形和校驗系數(shù)，從而綜合評價該橋的受力性能。本次加載以公路-II 級為準(zhǔn)，通過加載位置、加載噸位等調(diào)整控制靜載效率達(dá)到0.95～1.05。根據(jù)計算分析確定該橋靜載試驗需2 輛40T、2 輛30T 雙后軸特重車，試驗車滿載時軸重、軸距如圖3所示。

圖3 試驗車

應(yīng)變測試：應(yīng)變片布置于相應(yīng)的實心板底面，每個實心板底面布置5 個阻值為120Ω、靈敏系數(shù)為2.08 的應(yīng)變片，其標(biāo)距為10cm。并用DH3819 無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

撓度測試：水準(zhǔn)測量時將測試截面上的測點(diǎn)，采用水泥釘打入橋面鋪裝，每個測試截面撓度測點(diǎn)（兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)邊緣）共布置18 個撓度測點(diǎn)，其余的部分采用百分表測量。

2.2 測試截面及測點(diǎn)布置

橋梁靜載試驗按照橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則確定試驗工況及測試截面，測試截面布置如圖1所示?？紤]到本橋橋面寬度較窄，故僅布置左側(cè)偏載工況，測試截面取為1#跨（JM1）、1#墩墩頂（JM2）和2#跨（JM3），并與伸縮縫方向平行，撓度和應(yīng)變測點(diǎn)如圖4、圖5所示。

圖4 JM1、JM2、JM3 截面應(yīng)變測點(diǎn)圖

圖5 撓度測點(diǎn)圖

2.3 測試工況與荷載布置

在1#跨、2#跨的JM1、JM2 和JM3 截面依次進(jìn)行加載，JM1、JM3 截面加載車沿橫向布置2 輛車，JM2 截面加載車沿橫向布置4 輛車，為左側(cè)偏載，荷載工況詳情如表1所示。

表1 荷載試驗工況

2.4 靜載試驗效率

為了滿足公路-II 級效應(yīng)的要求，通過控制內(nèi)力等效原則來選擇試驗車輛的數(shù)目和重量，并調(diào)整布車位置、車輛的重量使靜載效率介于0.95～1.05，靜載效率，按式（1）[8]計算：

式中：Ss為靜載下某測試工況下應(yīng)變或撓度的最大理論值；S 為靜載引起的相同加載工況下應(yīng)變或撓度的最不利影響理論值；μ 為規(guī)范中取的沖擊系數(shù)；ηq為靜載效率。

本次加載以公路-II 級為準(zhǔn)，通過布車位置、加載車輛的重量等調(diào)整控制靜載效率ηq介于0.95～1.05，該橋靜載效率值詳情如表2所示，其中公路-II 級效應(yīng)考慮了沖擊系數(shù)。

表2 靜載效率

2.5 試驗結(jié)果分析

2.5.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析

工況1～工況3 的荷載效率分別為1.01、1.00、1.02，均滿足荷靜載效率ηq大于0.95 的要求。

JM1、JM2、JM3 截面的實心板底橫向應(yīng)變實測值均不大于理論值。校驗系數(shù)介于0.63～0.90，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度處于正常水平。結(jié)構(gòu)實測最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.8%均符合檢測規(guī)程[8]不大于（20%）的規(guī)定，說明實心板橋在試加載車輛作用下工作性能良好。試驗結(jié)果表明，該實心板橋在正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足公路-II 級的要求。

根據(jù)測試的結(jié)果對比圖繪制成圖6所示。

圖6 理論與實測彈性應(yīng)變對比曲線

從圖6可知，JM1～JM3 截面的板底橫向應(yīng)變實測值與理論計算值的曲線走向一致，且都不大于理論計算值，說明該橋橫向力傳遞良好，該實心板橋強(qiáng)度在正常使用極限狀態(tài)下符合公路-II 級的要求，表明該橋處于彈性工作狀態(tài)。

2.5.2 撓度測試結(jié)果分析

工況1、工況3 的試驗效率系數(shù)分別為1.01、1.02，均滿足靜載效率ηq不小于0.95，加載有效。

JM1、JM3 截面的撓度實測值均不大于理論值，校驗系數(shù)介于0.58～0.84，工況1、工況3 的最大撓度實測值分別為-3.57 mm、-3.29mm，與計算跨徑（18.72m、21m）的比值分別為1/5244、1/6383，小于檢測規(guī)程規(guī)定[8]的1/600，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大相對殘余撓度為10.6%，均符合規(guī)范[8]不大于（20%）的規(guī)定。試驗表明，該實心板橋在正常使用極限狀態(tài)下的縱向剛度滿足公路-II級的要求。

根據(jù)測試的結(jié)果對比圖繪制成圖7所示。

圖7 各工況下理論與實測彈性撓度對比曲線

從圖7看出，JM1、JM3 截面的撓度實測值與理論值的曲線走向一致，且都不大于理論計算值，說明在正常使用極限狀態(tài)下的該實心板橋縱向剛度滿足公路-II 級的要求，表明該橋處于彈性工作狀態(tài)。

3 橋梁動載試驗

3.1 試驗內(nèi)容

橋梁自振特性測試：包括固有振型、振動頻率和阻尼比等方面，通過分析橋梁固有振動頻率實測值和理論值的比值以及實測阻尼比，可定性判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度情況。橋梁行車動力響應(yīng)測試：測試在無障礙跑車作用下實心板的響應(yīng)，包括振動加速度、動應(yīng)變等，可計算得到橋梁沖擊系數(shù)，從而評價該實心板橋的動力性能。

3.2 測試工況

3.2.1 模態(tài)試驗

模態(tài)測試時，僅測試橋梁低階豎向振型，不考慮高階扭轉(zhuǎn)振型。結(jié)構(gòu)振動速度測點(diǎn)沿縱橋向僅布置一排，為了方便測試，統(tǒng)一布置于橋梁左側(cè)護(hù)欄頂部，共12 測點(diǎn)。由于傳感器數(shù)量少于測點(diǎn)數(shù)，故測試分為兩批次，并取某一測點(diǎn)作為不動的參考點(diǎn)，然后通過模態(tài)分析，最終得獲該實心板橋固有的自振特性。

3.2.2 無障礙跑車試驗

在橋面無障礙的情況下，采用1 輛載重約300kN 的汽車以15km/h、20km/h、25km/h、30km/h 的速度勻速通過，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵。采用應(yīng)變片分別測試JM1、JM3 截面的動應(yīng)變響應(yīng)，分析計算得到該實心板橋的沖擊系數(shù)。

3.3 測試結(jié)果和分析

3.3.1 模態(tài)試驗

通過模態(tài)試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理分析，可以得到該橋固有的自振特性的實測值并與MIDAS/Civil 計算的理論基頻進(jìn)行對比如表3所示。

表3 模態(tài)試驗結(jié)果

由表3可見，豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程[8]中該比值大于等于0.90 的要求；豎向1～豎向3 階阻尼比實測值為0.028、0.032、0.039，均正常，表明動剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3.3.2 無障礙跑車試驗

本橋選定JM1、JM3 截面進(jìn)行試驗，用1 輛300kN 的加載車駛過該橋，采用應(yīng)變片分別測試JM1、JM3 截面的動應(yīng)變響應(yīng)，分析計算得到該實心板橋的沖擊系數(shù)，根據(jù)理論基頻計算的沖擊系數(shù)為μ=0.241，實測動態(tài)增大系數(shù)如表4所示。

表4 跑車試驗結(jié)果

由表4可見，該橋的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，均小于設(shè)計沖擊系數(shù)（0.241），該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平，滿足要求。

4 結(jié)語

（1）對該橋選取有代表性的1#跨、2#跨，以公路-II級為目標(biāo)荷載等級進(jìn)行了靜載試驗，工況1～工況3 的靜載效率分別為1.01、1.00、1.02，滿足靜載效率0.95～1.05 的要求，加載有效，加載過程一切正常。

（2）靜載試驗結(jié)果表明：相對殘余變形均滿足規(guī)范[8]不大于（20%）的要求，表明該橋工作性能良好；各工況下JM1、JM2、JM3 截面的校驗系數(shù)均小于1，說明該橋的強(qiáng)度和剛度滿足公路-II 級的要求。

（3）動載試驗結(jié)果表明：豎向1～豎向3 階頻率的比值為：1.13、1.12、1.07，均滿足檢測規(guī)程[8]中該比值大于等于0.90 的要求；豎向1～豎向3 階阻尼比實測值為0.028、0.032、0.039，均正常，表明該橋的動剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。該橋的動態(tài)應(yīng)變增大系數(shù)介于0.081～0.190，小于設(shè)計沖擊系數(shù)（0.241），該橋行車動力響應(yīng)處于正常水平，滿足要求。