朱清航(中鐵城際規(guī)劃建設(shè)有限公司 遼寧分公司,遼寧 沈陽 110004)
橋梁荷載試驗(yàn)是必須的安全檢測手段,可以為橋梁的結(jié)構(gòu)性能及承載能力進(jìn)行科學(xué)有效地評估,提供直觀有力的依據(jù),并且為橋梁后期的養(yǎng)護(hù)以及健康監(jiān)測等積累技術(shù)資料[1],因此橋梁荷載試驗(yàn)是橋梁在正式投入運(yùn)營之前必不可少的步驟[3-4]。橋梁荷載試驗(yàn)檢測的首項(xiàng)任務(wù)是科學(xué)合理地制定荷載試驗(yàn)方案,從而全面評價(jià)橋梁的安全性能[6]。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[9]新建橋梁可通過荷載試驗(yàn)來檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求[7]。
大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋具有T型剛構(gòu)橋的無支座支撐,同時(shí)具有連續(xù)梁橋的無伸縮縫使得行駛平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[8]。
跨河橋梁分左右兩幅,主跨橋孔布置為80 m+150 m+80 m大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋,總長310 m,主跨150 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩、承臺樁基礎(chǔ),橋面寬度12 m雙向四車道(0.5 m(護(hù)欄)+11 m(車行道)+0.5 m(護(hù)欄)),最大橋高107 m。橋墩墩身采用C50混凝土,承臺及基礎(chǔ)采用C30混凝土,上部箱采用C50混凝土。支座采用盆式橡膠支座,伸縮縫采用模數(shù)式型鋼伸縮裝置。根據(jù)規(guī)范[9]要求連續(xù)剛構(gòu)橋靜載測試截面邊跨最大正彎矩截面應(yīng)力及撓度(1-1)、主跨墩頂截面主梁應(yīng)力(2-2)、主跨最大正彎矩截面應(yīng)力及撓度(3-3)。測試截面計(jì)橋型布置見圖1。
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo):公路等級:高速公路;設(shè)計(jì)荷載等級:公路-I級;設(shè)計(jì)行車速度:80 km/h。
圖1 橋型布置(cm)
在CAD中建立截面尺寸后,導(dǎo)入Civil建立變截面組見圖2,箱梁梁高度按1.75次拋物線變化,0#塊、合攏段截面后建立變截面組,完成后將變截面組轉(zhuǎn)化為變截面,以利于提取截面應(yīng)力。靜力試驗(yàn)荷載加載方式是采用單輛三軸載重汽車作為等效荷載,在試驗(yàn)過程中模擬設(shè)計(jì)活載所產(chǎn)生的內(nèi)力值,見圖3。
圖2 變截面組設(shè)置界面
圖3 Civil模型
剛構(gòu)橋振型測量前三階,剛構(gòu)橋前三階均為豎向振型。對于豎向振型,剛構(gòu)橋單幅橋布置20個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)布置在中心線處,其中主跨布置于8分點(diǎn),邊跨布置于4分點(diǎn),在Midas Civil 2015中通過對自重、二期換算荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量,然后對結(jié)構(gòu)特征值分析,計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的基頻,提取振型圖,根據(jù)基頻按照現(xiàn)行《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60-2004)4.3.2條公式計(jì)算沖擊系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表1。三階振型見圖4。
表1 沖擊系數(shù)計(jì)算
圖4 1~3三階振型
測試截面靜載作用最大彎矩分別為1-1截面24 622.2 kN/m、2-2截面79 686.9 kN/m、3-3截面21 940.4 kN/m。各截面最不利荷載作用下,1-1截面最大應(yīng)變?yōu)?0 με,最大撓度7.51 mm;2-2截面最大應(yīng)變?yōu)?18 με;3-3截面最大應(yīng)變?yōu)?8 με,最大撓度20.59 mm。
采用三軸加載汽車(重350 kN)加載,三軸加載汽車軸重為前軸重70 kN,中后軸重280 kN,軸距為中后軸距1.4 m,中前軸距4.0 m,見圖5。在方案設(shè)計(jì)中將車輛轉(zhuǎn)化為集中荷載加載與結(jié)構(gòu)上進(jìn)行確定加載車輛數(shù)量及位置。試驗(yàn)前對每輛車進(jìn)行配重,使加載車軸重達(dá)到試驗(yàn)要求,要求加載車軸重誤差處于±5%范圍內(nèi),且保證在試驗(yàn)過程中不會發(fā)生明顯的變化,對每輛車編號。
主梁應(yīng)力控制截面混凝土表面應(yīng)力(應(yīng)變),擬采用在混凝土表面粘貼標(biāo)距為80 mm、阻值為120Ω的應(yīng)變片,配JM3812數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行測量。主梁控制截面橋面撓度的測量擬采用電子水準(zhǔn)儀(配銦鋼尺)進(jìn)行測試。
圖5 試驗(yàn)采用加載車輛(cm)
根據(jù)規(guī)范[9]規(guī)定靜載試驗(yàn)荷載效率宜介于0.85~1.05之間,無障礙行車試驗(yàn)荷載效率不應(yīng)超過1。采用影響線加載確定加載位置。加載效率見表2。
表2 各截面靜載控制彎矩及試驗(yàn)荷載效應(yīng)
通過表2可得,靜載加載效率值在0.91~1.01范圍內(nèi),均符合規(guī)范[9]要求,以此為加載方案。截面靜載工況下應(yīng)變值見表3。
表3 各截面靜載工況下應(yīng)變值
剛構(gòu)橋箱梁箱內(nèi)布置10個(gè)應(yīng)變測點(diǎn),頂板3個(gè)、底板3個(gè)、每側(cè)腹板2個(gè)。橋面每截面橫向等距離布置3個(gè)撓度測點(diǎn),測點(diǎn)布置見圖6(a)、脈動測點(diǎn)1個(gè)布置在橋面見圖6(b)。
圖6 撓度、應(yīng)變、脈動測點(diǎn)布置(mm)
通過Civil模擬計(jì)算,得出檢測截面影響線,見圖7。根據(jù)影響線進(jìn)行加載,使得各截面的加載效率在0.85~1.05之間。
圖7 1~3三階振型
圖8 1~3截面加載位置
根據(jù)影響線試算得到靜載試驗(yàn)荷載加載車輛:1-1截面達(dá)到加載效率需要6輛35 t加載車沿邊跨最大彎矩處以對稱布置,兩排車以4 m間距布置,見圖8(a);2-2截面8輛35加載車,分三排,每排間距為5 m,見圖8(b);3-3截面6輛35 t加載車,分兩排以5 m間距布置,見圖8(c)。
在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前,用兩輛載重加載車分別對測試對象各跨跨中進(jìn)行橫橋向?qū)ΨQ的預(yù)加載,預(yù)加載試驗(yàn)每一加載載位的持荷時(shí)間為20 min。
預(yù)加載后卸載,并在結(jié)構(gòu)得到充分的零荷載恢復(fù)后,才可進(jìn)入正式加載試驗(yàn),進(jìn)行初始讀數(shù),且應(yīng)進(jìn)行分級加載原則。采用三級加載原則,得到試驗(yàn)過程控制截面應(yīng)變值結(jié)果,見表4。
表4 各截面靜載控制應(yīng)變測試結(jié)果(με)
試驗(yàn)荷載作用下,連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.62~0.83之間;卸載后整體應(yīng)變恢復(fù)正常,各荷載工況下主要控制測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變均在20% 范圍內(nèi)。相對殘余變形最大為0.08%,表明橋梁處于彈性工作范圍,且橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。
(1)進(jìn)行建模分析,調(diào)整結(jié)構(gòu)自振頻率,根據(jù)最不利原則定出控制截面,以及按規(guī)范[9]定出截面測點(diǎn)。(2)根據(jù)影響線以及加載效率定出加載過程中所需車輛及車輛位置。(3)將車輛荷載轉(zhuǎn)化為集中力作用在結(jié)構(gòu)中,得出控制截面加載效率,從而得出現(xiàn)場荷載試驗(yàn)時(shí)加載車輛位置。
通過此方法定出橋梁荷載試驗(yàn)方案后進(jìn)行現(xiàn)場靜力荷載試驗(yàn),得到連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.62~0.83之間,規(guī)范[9]規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋校驗(yàn)系數(shù)在0.60~0.90之間,符合要求。主要控制點(diǎn)的相對殘余變形最大為0.08%,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),因此方案確定較為合理。