某下承式砼系桿拱橋靜動(dòng)力試驗(yàn)研究

周海成

(河北省廊坊市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)， 河北 廊坊 065000)

1 工程概況

某下承式預(yù)應(yīng)力砼系桿拱結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨徑為65 m，計(jì)算矢高為12 m，矢跨比約為1/5.417。預(yù)應(yīng)力砼系梁高2.3 m、寬1.5 m，吊桿30根，拱肋2道，橋面板16塊，橫撐3道，橫梁17道，系梁、橫梁及拱肋采用C50砼。采用雙柱式橋墩，墩柱直徑1.0 m。橋面雙向橫坡1.5%，主橋?qū)?7.5 m。設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)超-20級(jí)、掛車(chē)-120。

橋梁上跨高速鐵路，交角為50°56′20″。由于高鐵速度較快，風(fēng)致振動(dòng)顯著，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，部分吊桿下錨頭處油漬明顯，吊桿防護(hù)鋼管存在內(nèi)壁銹蝕病害(見(jiàn)圖1)。目前該橋服役年限已超過(guò)20年，為測(cè)試其實(shí)際使用性能和工作狀態(tài)，判斷其承載能力及動(dòng)力特性，對(duì)橋梁進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)研究。

圖1 橋梁病害情況

2 傳感器布置方案

試驗(yàn)主要測(cè)試截面包括拱頂截面(A-A)、1/4跨截面(B-B)、3/4跨截面(C-C)、拱腳截面(D-D)、10#中橫梁跨中截面(E-E)、系梁跨中截面(F-F)、系梁3/4跨截面(G-G)、8#吊桿軸力(H-H)、12#吊桿軸力(I-I，見(jiàn)圖2)。為測(cè)試各荷載工況下主拱肋、系梁、中橫梁的應(yīng)變，在測(cè)試截面布置振弦式傳感器(見(jiàn)圖3)。為測(cè)試各荷載工況下拱肋與橋面撓度，在測(cè)試截面布置撓度測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。為測(cè)試吊桿在各荷載工況下的索力增量，在兩側(cè)7#、8#、9#、11#、12#吊桿距系梁頂部約0.5 m處布置索力測(cè)點(diǎn)。

圖2 試驗(yàn)主要測(cè)試截面(單位：cm)

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

為測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、橋面平整度及運(yùn)行車(chē)輛的動(dòng)力特性、車(chē)速等因素的影響，在主橋西側(cè)系梁跨中梁底設(shè)置動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)。為測(cè)得橋梁的自振頻率、阻尼比及振型，按照結(jié)構(gòu)振型形狀布置在變位較大的位置，避開(kāi)各階振型的節(jié)點(diǎn)，在主橋四分點(diǎn)位置布設(shè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)方案

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)該橋進(jìn)行建模分析，主拱和系梁采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桁架單元模擬，橋面板采用板單元模擬。全橋共2 028個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 722個(gè)單元，其中桁架單元30個(gè)，梁?jiǎn)卧? 060個(gè)，板單元1 632個(gè)(見(jiàn)圖5)。

圖5 橋梁有限元模型

3.2 荷載試驗(yàn)效率

荷載試驗(yàn)選用6輛車(chē)重350 kN的加載車(chē)，荷載效率見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試截面荷載效率

3.3 荷載工況及測(cè)試內(nèi)容

3.3.1 荷載工況

工況1、6、8：拱頂截面最大彎矩工況、系梁跨中截面最大彎矩工況、8#吊桿最大索力增量工況，車(chē)輛布置見(jiàn)圖6。

圖6 工況1、6、8荷載工況及加載位置(單位：cm)

工況2：拱腳最大正彎矩工況。

工況3、5：3/4拱肋、3/4系梁截面最大彎矩工況，車(chē)輛布置見(jiàn)圖7。

圖7 工況3、5荷載工況及加載位置(單位：cm)

工況4、9：1/4拱肋最大負(fù)彎矩、12#吊桿軸力增量工況，車(chē)輛布置見(jiàn)圖8。

圖8 工況4、9荷載工況及加載位置(單位：cm)

工況7：10#中橫梁最大彎矩工況，車(chē)輛布置見(jiàn)圖9。

圖9 工況7荷載工況及加載位置(單位：cm)

3.3.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試各截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、撓度并觀測(cè)裂縫情況。分三級(jí)加載，在進(jìn)行加載試驗(yàn)前，用2輛試驗(yàn)車(chē)在試驗(yàn)孔跨中部位進(jìn)行2～3 次橫橋向?qū)ΨQ(chēng)的反復(fù)預(yù)加載，一級(jí)加載為1列2排2輛加載車(chē)靠西側(cè)系梁順橋向布置，二級(jí)加載為2列2排4輛加載車(chē)靠西側(cè)系梁順橋向布置，三級(jí)加載為3列2排6輛加載車(chē)滿(mǎn)載順橋向布置。加載車(chē)以20、30、40 km/h的速度進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)量動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)在橋上行車(chē)荷載作用下的動(dòng)撓度；采用自然脈動(dòng)方式，即在橋面無(wú)交通荷載及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定由橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激振引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性(自振頻率和阻尼比)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

為檢驗(yàn)試驗(yàn)荷載作用下各斷面測(cè)點(diǎn)的效應(yīng)實(shí)測(cè)值與相應(yīng)設(shè)計(jì)理論計(jì)算值的差異，采用測(cè)點(diǎn)效應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)ζ進(jìn)行檢驗(yàn)。ζ按下式計(jì)算：

ζ=Se/Ss

式中：Se、Ss分別為試驗(yàn)荷載作用下主要測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變位或應(yīng)變值、理論彈性變位或應(yīng)變值。

4.1.1 應(yīng)變結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)加載情況，各截面受力最不利測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)诩虞d過(guò)程中保持線(xiàn)性增長(zhǎng)，不同荷載工況下測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值對(duì)比見(jiàn)圖10。由圖10可得實(shí)測(cè)中性軸高度與理論計(jì)算值基本一致，應(yīng)變沿截面高度分布線(xiàn)性良好，且實(shí)測(cè)值小于理論值，卸載后基本恢復(fù)。

圖10 不同荷載工況下測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值對(duì)比

在試驗(yàn)荷載作用下，拱肋各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.63～0.68，系梁各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.70～0.77，橫梁測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.73，均小于1.0，說(shuō)明橋梁各構(gòu)件強(qiáng)度在設(shè)計(jì)荷載作用下滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.1.2 撓度結(jié)果分析

如圖11所示，不同荷載工況下測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度與理論撓度曲線(xiàn)接近，且實(shí)測(cè)值小于理論值，其中工況1下西側(cè)拱肋拱頂截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67～0.79，工況2下西側(cè)拱肋拱底截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.69～0.80，工況3下西側(cè)拱肋3/4截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.61～0.68，工況4下西側(cè)拱肋1/4截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67～0.73，工況5下系梁3/4截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.70，工況6下系梁跨中截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.70～0.77，工況7下H10橫梁跨中截面各測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.69～0.77，均小于1.0，表明該橋試驗(yàn)孔整體剛度性能良好，在設(shè)計(jì)荷載作用下滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖11 不同荷載工況下測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值與理論撓度值對(duì)比

4.1.3 相對(duì)殘余變位結(jié)果分析

各荷載工況下相對(duì)殘余變位情況見(jiàn)圖12。卸載后拱肋各控制測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余變位為9.46%，系梁各控制測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余變位為9.96%，橫梁各測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余變位為7.64%，均滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)相對(duì)殘余變位不大于20%的要求。

圖12 各荷載工況下相對(duì)殘余變位

4.1.4 吊桿索力增量結(jié)果分析

在工況8各級(jí)試驗(yàn)荷載加載作用下，8#吊桿索力彈性增量在加載過(guò)程中保持線(xiàn)性增長(zhǎng)，線(xiàn)性關(guān)系良好，卸載后相對(duì)殘余5.27%；滿(mǎn)載時(shí)，7#～9#吊桿索力彈性增量實(shí)測(cè)值均接近理論值，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.92。

在工況9各級(jí)試驗(yàn)荷載加載作用下，12#吊桿索力彈性增量在加載過(guò)程中保持線(xiàn)性增長(zhǎng)，線(xiàn)性關(guān)系良好，卸載后相對(duì)殘余4.33%；滿(mǎn)載時(shí)，11#、12#吊桿索力彈性增量實(shí)測(cè)值均接近理論值，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.90。

4.1.5 裂縫結(jié)果分析

在各試驗(yàn)荷載作用下，該橋試驗(yàn)孔構(gòu)件未產(chǎn)生裂縫。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 橋梁沖擊系數(shù)結(jié)果分析

采用光電撓度儀測(cè)試跑車(chē)工況下橋梁動(dòng)撓度，20～40 km/h下橋梁撓度時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖13，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為1.032～1.061，均小于理論值1.095，表明該橋橋面平整度較好，車(chē)輛沖擊作用較小，滿(mǎn)足行車(chē)要求。

圖13 不同車(chē)速下橋梁撓度時(shí)程曲線(xiàn)

4.2.2 自振頻率與阻尼比結(jié)果分析

試驗(yàn)中采用加速度傳感器及智能信號(hào)采集處理分析儀記錄橋跨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)圖14、圖15。通過(guò)對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析及互功率譜分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的一階豎向頻率為2.734 Hz。采用半功率帶寬法計(jì)算得阻尼比為0.073 5。

圖14 橋梁自功率譜分析頻譜圖

圖15 橋梁互功率譜分析頻譜圖

橋梁一階豎向陣型理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖16，一階豎向振動(dòng)頻率理論值為1.875 Hz。一階豎向振型實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率為2.322 Hz。

圖16 豎向一階頻率振型理論值

實(shí)測(cè)頻率/理論頻率=2.322/1.875=1.24>1.1，表明該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)存在吊桿病害的拱橋進(jìn)行有限元分析與動(dòng)靜載試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 橋梁應(yīng)力和變形實(shí)測(cè)結(jié)果在分級(jí)加載過(guò)程中呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，實(shí)測(cè)值與理論值規(guī)律一致且實(shí)測(cè)值均小于理論值，相對(duì)殘余變位較小，加載過(guò)程中無(wú)裂縫產(chǎn)生，說(shuō)明橋梁的靜載強(qiáng)度及剛度在設(shè)計(jì)荷載作用下滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2) 橋梁吊桿索力增量在試驗(yàn)車(chē)輛荷載分級(jí)加載作用下線(xiàn)性關(guān)系良好，但實(shí)測(cè)值接近理論值，需加強(qiáng)觀測(cè)。

(3) 橋梁沖擊系數(shù)小于理論值，一階豎向自振頻率大于理論值，橋梁的動(dòng)力性能良好。