30 m簡(jiǎn)支箱梁靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?/h1>

2021-01-29 01:27:08

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關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)支梁橋撓度

（中交二公局第六工程有限公司，陜西西安 710000）

1 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容

30 m簡(jiǎn)支箱梁是公路及城市橋梁廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，橋梁承載力評(píng)定重要依據(jù)是橋梁荷載試驗(yàn)。

（1）查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉橋梁設(shè)計(jì)資料；（2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)箱梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；（3）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，設(shè)計(jì)制定箱梁的靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)方案；（4）計(jì)算試驗(yàn)荷載作用下控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度值；（5）合理選擇試驗(yàn)設(shè)備，確定控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度的測(cè)試方法；（6）對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率分析，制定橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)方案；（7）通過(guò)荷載試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)了解試驗(yàn)應(yīng)力分析在工程實(shí)際中的應(yīng)用，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，了解橋梁荷載試驗(yàn)的全過(guò)程。

2 簡(jiǎn)支箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與其應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁是因內(nèi)部空心、上部?jī)啥擞幸淼囊环N類似箱子的構(gòu)造特點(diǎn)而得名。由于其由一根兩端分別支撐在一個(gè)活動(dòng)支座和一個(gè)鉸支座上的梁作為主要承重結(jié)構(gòu)的梁橋，屬于靜定結(jié)構(gòu)。箱型梁應(yīng)用十分廣泛，建筑材料從一開(kāi)始的混凝土逐漸到鋼材，如現(xiàn)在流行的鋼箱梁。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁根據(jù)澆筑過(guò)程，可分為預(yù)制箱梁與現(xiàn)澆箱梁。預(yù)制箱梁是在施工現(xiàn)場(chǎng)以外的獨(dú)立地方澆筑，使用架橋機(jī)等架橋設(shè)備將預(yù)制好的箱梁架到橋墩上，節(jié)省了澆筑梁的養(yǎng)護(hù)時(shí)間、工期。現(xiàn)澆箱梁應(yīng)用于大型的大跨徑的梁橋，一般是由簡(jiǎn)支到連續(xù)梁的過(guò)渡。

箱梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的已較少，跨徑在20～50 m的范圍內(nèi)，大部分采用預(yù)制拼裝后張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁。其預(yù)應(yīng)力體系所采用的是鋼絞線群錨，梁采用預(yù)制箱梁，再用架橋機(jī)進(jìn)行架設(shè)?；炷翗?biāo)號(hào)一般在40～60號(hào)范圍內(nèi)；其內(nèi)部形狀有梯形與八邊形，本設(shè)計(jì)中所采用的是單箱單室內(nèi)梯形簡(jiǎn)支梁，梁長(zhǎng)30 m，寬3.7 m。

2.1 箱型梁橋的設(shè)計(jì)與受力特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱型梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端分別支撐在一個(gè)活動(dòng)支座和一個(gè)鉸支座上，在豎向荷載作用下，梁體承受彎矩，不產(chǎn)生水平力。橋面簡(jiǎn)支是在簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在墩頂處簡(jiǎn)單鋪設(shè)，相比連續(xù)橋伸縮縫的數(shù)量較少，其架設(shè)方便性與施工便利性相比連續(xù)橋更高。預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)的步驟一般為：根據(jù)以往資料，查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，熟悉橋梁設(shè)計(jì)資料；根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用MIDAS建立箱梁的有限元模型，按剛接板法考慮橫向分布，分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定試驗(yàn)控制截面；計(jì)算結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力，選擇合適的荷載試驗(yàn)加載方案；計(jì)算試驗(yàn)荷載作用下控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度值；合理選擇試驗(yàn)設(shè)備，確定控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度的測(cè)試方法。

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率分析，制定橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)方案；再進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。若驗(yàn)算不能滿足要求，應(yīng)通過(guò)改變加載方法等重新設(shè)計(jì)、驗(yàn)算，直到各項(xiàng)驗(yàn)算均通過(guò)為止。預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁橋?qū)儆趩慰嘴o定結(jié)構(gòu)，由于其受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便且應(yīng)用頗廣。作用在箱梁上的荷載主要有恒載和活載，恒載是對(duì)稱的，活載兩者均可，但更多情況下是有偏心作用的。在偏心荷載的作用下，箱梁將有可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、總向彎曲、畸變和橫向撓曲4種變形。實(shí)體梁橋三維模型如圖1所示，實(shí)體梁橋橫斷面圖如圖2所示。

圖1 實(shí)體梁橋三維模型

圖2 實(shí)體梁橋橫斷面圖

3 靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)荷載工況的確定

在進(jìn)行試驗(yàn)荷載工況的確定時(shí)，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)如簡(jiǎn)支箱梁、簡(jiǎn)支T梁等可以自行選取1個(gè)或2個(gè)工況進(jìn)行荷載試驗(yàn)；但對(duì)于復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行確定，一般情況下可以取2個(gè)或3個(gè)工況。

3.2 試驗(yàn)荷載等級(jí)的確定

在確定試驗(yàn)荷載的等級(jí)與所加荷載的位置時(shí)，一般用靜力荷載試驗(yàn)效率ηq控制，其計(jì)算公式如下：

式中：Ss——試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力值；S′——設(shè)計(jì)荷載作用下控制截面內(nèi)力值；μ——沖擊系數(shù)；ηq——靜力試驗(yàn)荷載效率。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)該按照規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的規(guī)定宜介于0.95～1.05之間進(jìn)行判定。

4 動(dòng)載試驗(yàn)的試驗(yàn)方案

4.1 動(dòng)載試驗(yàn)的目的

測(cè)試時(shí)車輛運(yùn)行所引起的橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期與頻率可能會(huì)與橋梁自身的振動(dòng)頻率與周期同步，會(huì)引起共振，破壞橋梁內(nèi)部構(gòu)造，甚至?xí)饦蛄旱拇蠓秶云茡p。

動(dòng)載試驗(yàn)的目的：（1）通過(guò)橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)，對(duì)橋梁的運(yùn)行能力與承載能力進(jìn)行評(píng)判；（2）通過(guò)橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)，為橋梁將來(lái)發(fā)生舊損進(jìn)行維護(hù)而提供資料。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)的方法

（1）自振法（瞬態(tài)激振法）：①突然加載法（沖擊法）；②突然卸載法（位移激振法）。（2）共振法（強(qiáng)迫振諧法）。（3）脈動(dòng)法。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)與結(jié)果評(píng)判

橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)完成后，一般需要通過(guò)以下幾個(gè)點(diǎn)來(lái)對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）把實(shí)際所測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如果是測(cè)值比較大，說(shuō)明橋梁剛度足夠，不易發(fā)生開(kāi)裂等毀壞現(xiàn)象。（2）通過(guò)實(shí)測(cè)所測(cè)出的沖擊系數(shù)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的行車性能進(jìn)行評(píng)判，如沖擊系數(shù)較小，則橋梁的行車性能不好，反之則較好。（3）通過(guò)實(shí)測(cè)所測(cè)的活載加速度，評(píng)判橋跨結(jié)構(gòu)的行車舒適性，根據(jù)研究資料可知，如果實(shí)測(cè)加速度小于重力加速度g，則乘客會(huì)感到舒適，反之則不適。（4）通過(guò)實(shí)測(cè)所測(cè)的橋跨結(jié)構(gòu)阻尼比可以反映橋梁在受到外界影響時(shí)，其所耗散的能力，一般情況下橋跨結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08之間，如果阻尼比越大，則說(shuō)明其耗散能力越強(qiáng)；反之，越弱。

5 荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 靜載試驗(yàn)效率的確定

靜載加載效率η按下式確定：

式中：Ss——試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力值；S——設(shè)計(jì)荷載作用下控制截面內(nèi)力值；μ——沖擊系數(shù)（平板掛車、履帶車、重型車輛的μ=0）。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，靜載加載效率η滿足規(guī)范規(guī)定的范圍（0.95～1.05之間），說(shuō)明試驗(yàn)車輛加載符合要求。

5.2 靜載試驗(yàn)分析撓度理論值

使用過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力混凝土在自身的荷載作用下與其他荷載一起作用將會(huì)產(chǎn)生變形，如果其彎曲變形過(guò)大，影響混凝土的正常使用，橋梁應(yīng)該具有一定的剛度，確保橋梁的正常使用。根據(jù)《公路橋梁和涵洞規(guī)定》中所規(guī)定，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件長(zhǎng)期撓度值，消除了其由于自身重量引起的長(zhǎng)期撓度不超過(guò)以下規(guī)定限制值：梁式橋主梁的最大撓度處為L(zhǎng)/600，梁式橋主梁懸臂端處為L(zhǎng)/300。

5.3 靜載試驗(yàn)應(yīng)力、應(yīng)變理論值分析

根據(jù)材料力學(xué)公式：

式中：M——橫截面上的彎矩值；y——所求應(yīng)力點(diǎn)相對(duì)于中性軸縱坐標(biāo)；IZ——橫截面對(duì)中性軸z的慣性矩。

通常情況下，橋梁檢測(cè)中采用微應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)算：

式中：E——材料彈性模量。

根據(jù)公式σ=可得每個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，根據(jù)公式ε=，可知所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍應(yīng)該在0.60～0.90，根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變值和理論計(jì)算值的比較，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)符合規(guī)范要求，說(shuō)明所測(cè)混凝土簡(jiǎn)支箱橋梁的結(jié)構(gòu)滿足使用的要求。

5.4 動(dòng)載理論試驗(yàn)結(jié)果

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)可以通過(guò)通車、剎車、跳車、脈動(dòng)測(cè)試等試驗(yàn)方法，得到橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性指標(biāo)。模型一階振型圖如圖3所示，模型三階振型圖如圖4所示。

圖3 模型一階振型圖

圖4 模型三階振型圖

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，所試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)等力學(xué)特性與橋梁結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)形式、剛度、所用材料有關(guān)，與其他外在條件如荷載等無(wú)關(guān)。動(dòng)載試驗(yàn)中，可利用麥達(dá)斯軟件獲取大量所測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的各種振動(dòng)量，如應(yīng)變、應(yīng)力、加速度等的時(shí)間曲線。由于橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)復(fù)雜，一般是隨機(jī)的，根據(jù)信號(hào)或數(shù)據(jù)直接分析判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律較為困難，一般情況下需對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形進(jìn)行處理與分析，方便對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能做進(jìn)一步分析。常用的分析處理方法有時(shí)域和頻域分析兩種方法。根據(jù)模型可以測(cè)試出理論頻率與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻率，二者對(duì)比，則可以得出該簡(jiǎn)支箱型梁橋的動(dòng)剛度大小，以評(píng)定簡(jiǎn)支箱梁動(dòng)力特性的優(yōu)劣。

反應(yīng)和動(dòng)力特性可以成為該預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋的靜、動(dòng)力特性的評(píng)判依據(jù)，所以橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)可以全面有效對(duì)橋梁是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）簡(jiǎn)支箱型橋梁結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)，在橋梁結(jié)構(gòu)確定的位置上施加靜止的荷載，得出橋梁的內(nèi)力、應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力與承載能力做出評(píng)判。（2）簡(jiǎn)支箱型橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)是根據(jù)實(shí)際車輛通過(guò)時(shí)而用儀器測(cè)試的相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)分析橋梁自身的承載能力與施工質(zhì)量，同時(shí)也可以對(duì)橋梁的自身結(jié)構(gòu)特性如振動(dòng)特性等進(jìn)行研究。（3）通過(guò)建立簡(jiǎn)支箱梁型梁橋的有限元模型，對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步分析與總結(jié)，得出所測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)的靜力反應(yīng)和動(dòng)力特性，可以成為該預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋的靜、動(dòng)力特性的評(píng)判依據(jù)，所以橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)可以對(duì)橋梁是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。

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