某在役預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支工字梁實(shí)橋動(dòng)靜載試驗(yàn)①

胡鐵明, 褚博琦, 吳憲鍇, 張 晗

(1.沈陽(yáng)大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng)110044;2.遼寧交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng)110005)

0 引 言

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展,新建橋梁在不斷修建的同時(shí)對(duì)已有在役橋梁進(jìn)行科學(xué)的承載能力的評(píng)估,以達(dá)到減少安全事故的意外發(fā)生以及提高在役橋梁的使用效率的目的有著非常重要的作用。橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)苡行У慕鉀Q對(duì)在役橋梁承載能力評(píng)估及可靠新鑒定的問(wèn)題[1-2]。橋梁荷載試驗(yàn)主要是通過(guò)檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在受到靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形和主要控制截面內(nèi)力變化情況,再利用檢測(cè)鑒定結(jié)果確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)期望要求。通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性及動(dòng)力性能,以達(dá)到檢查橋梁動(dòng)響應(yīng)能力是否滿足設(shè)計(jì)使用要求的目的。與此同時(shí)還能作為橋梁的信息檔案,為橋梁的運(yùn)營(yíng)及管理提供信息或參考依據(jù),為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)維修、監(jiān)測(cè)加固等積累技術(shù)資料[3-5]。

1 橋梁概況

依托某高速路段一區(qū)間內(nèi)在役預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支工字梁橋,該橋于1999年建成。全橋跨徑布置為9×(4×40m+3×40m+1×40m+2×15.205m+1×40m,橋梁全長(zhǎng)1693.5m。橋面凈寬為10.75m,內(nèi)、外側(cè)分別 設(shè)0.65m和0.50m的防 撞墻。測(cè)試區(qū)段交角為90°,上部結(jié)構(gòu)為40m預(yù)應(yīng)力砼I形組合梁,每孔各6片主梁,梁頂現(xiàn)澆23cm厚鋼筋砼橋面板,縱橋向設(shè)置9道橫隔梁,為先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)體系。

設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)、掛車-120。

2 有限元模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙,采用橋梁通用分析軟件Midas/civil建立結(jié)構(gòu)分析模型,利用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算,材料為C50混凝土。在Midas/civil中嚴(yán)格遵守JTG(RC)規(guī)范中C50混凝土的材料屬性。通過(guò)Midas/civil導(dǎo)出各控制斷面內(nèi)力影響線,根據(jù)影響線加載原理,通過(guò)工況優(yōu)化得到最優(yōu)的加載方案。模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)原理

靜載試驗(yàn)利用內(nèi)力等效原則在橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試截面上施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載。靜態(tài)荷載施加穩(wěn)定后,利用提前布置的采集設(shè)備對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)控制截面位置在靜載過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。主要測(cè)試內(nèi)容有撓度、應(yīng)變等參數(shù)。

3.2 加載方式

為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中的受力變化關(guān)系,同時(shí)防止橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生意外損傷,保證橋梁和人員安全,試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式。分級(jí)加載的方式能有效的采集當(dāng)級(jí)加載過(guò)程中的有效數(shù)據(jù),并且能夠有時(shí)間觀察在加載過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。如果試驗(yàn)過(guò)程中橋梁發(fā)生異常能及時(shí)查明原因。

3.3 測(cè)試截面選取

試驗(yàn)截面選取采用內(nèi)力等效原則。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖以及結(jié)構(gòu)本身的狀況等原則,按照最不利受力原則確定加載工況以及測(cè)試截面。試驗(yàn)的試驗(yàn)工況為邊主梁最大正彎矩偏載試驗(yàn),主要測(cè)試截面為B40附加測(cè)試截面為A40和C40。主要測(cè)試截面為B40附加測(cè)試截面為A40和C40。截面選取如圖2所示。

圖2 測(cè)試截面位置圖

3.4 測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果,需要對(duì)試驗(yàn)荷載作用下測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置。在測(cè)試截面的底部位置布置撓度測(cè)試點(diǎn),應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)布置在橋梁底部且沿梁高的方向。測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如下表1所示。

表1 測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)數(shù)量

3.5 加載方式及加載車輛布置

3.5.1 加載方式

正式加載時(shí)按照計(jì)算車輛的加載位置逐級(jí)加載,期間及時(shí)記錄并存儲(chǔ)每級(jí)荷載下的測(cè)量數(shù)據(jù),直至荷載效率滿足規(guī)范要求。最后進(jìn)行卸載,讀取卸載讀數(shù)。

3.5.2 加載車輛布置

為保障橋梁結(jié)構(gòu)及加載車輛在試驗(yàn)過(guò)程中的安全,試驗(yàn)采用逐級(jí)遞增的加載方式,逐級(jí)遞增的加載方式能有效的提高試驗(yàn)效率,保證試驗(yàn)安全。根據(jù)橋梁模型計(jì)算結(jié)果,確定在不同分級(jí)荷載作用下的加載車輛布置。

3.6 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.6.1 試驗(yàn)荷載效率分析

靜載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)橋梁在接近控制荷載作用下結(jié)構(gòu)控制部位與控制截面的作用效應(yīng)。要求橋梁主要控制截面在試驗(yàn)荷載作用下所產(chǎn)生的作用效應(yīng)與在控制荷載作用下產(chǎn)生的效應(yīng)接近。靜載試驗(yàn)過(guò)程的荷載效率如表2所示。

表2 靜載試驗(yàn)荷載效率

3.6.2 撓度結(jié)果分析

試驗(yàn)前在控制截面處沿梁高方向粘貼光電撓度儀專用的光電靶標(biāo),試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試人員在橋下使用光電撓度儀對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的撓度數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于表3

表3 B1-B6實(shí)測(cè)值及理論值(單位:mm)

3.6.3 應(yīng)變結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中利用DH3820多通道應(yīng)變采集設(shè)備在橋上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)在三級(jí)加載作用下所測(cè)得應(yīng)變實(shí)測(cè)值及理論值見(jiàn)表4

表4 B1-B6實(shí)測(cè)值及理論值(單位:με)

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 動(dòng)載試驗(yàn)原理

動(dòng)載試驗(yàn)是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到外界環(huán)境荷載以及動(dòng)力荷載激振作用下促使橋梁受迫振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在此過(guò)程中主要對(duì)橋梁受迫震動(dòng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)自振頻率及沖擊系數(shù)進(jìn)行采集,同時(shí)應(yīng)在此過(guò)程中觀察結(jié)構(gòu)的反應(yīng)現(xiàn)象。從而得出橋梁結(jié)構(gòu)在受到動(dòng)力荷載作用下的性能狀況。動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)選在預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支工字梁進(jìn)行,采用環(huán)境隨機(jī)激振法進(jìn)行測(cè)試橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向彎曲振動(dòng)特性,即頻率。

4.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在試驗(yàn)孔跨中位置各放置一個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)試,在測(cè)試過(guò)程中測(cè)試人員在橋上采集動(dòng)載數(shù)據(jù)。

4.3 測(cè)試內(nèi)容

動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)的主要測(cè)試內(nèi)容為橋梁上部結(jié)構(gòu)的自振頻率、橋梁在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)應(yīng)變以及橋梁的沖擊系數(shù)。

4.3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)自振頻率測(cè)試

在測(cè)試過(guò)程中為了防止其它過(guò)往車輛對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響,在此試驗(yàn)過(guò)程前對(duì)測(cè)試路段采用封閉重車道和應(yīng)急車道,開(kāi)放超車道交通的形式進(jìn)行交通管制。隨后加載車輛在應(yīng)急車道進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后立即解除封道。測(cè)試結(jié)果如下表5示。

表5 上部結(jié)構(gòu)自振頻率

4.3.2 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)

依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的最不利工況選取橋梁的最大彎矩截面為測(cè)試斷面。檢測(cè)橋梁測(cè)試位置在受到移動(dòng)車輛荷載情況下橋梁的動(dòng)響應(yīng)能力。

沖擊系數(shù)的測(cè)量值與理論結(jié)果的數(shù)值對(duì)比如表6所示。

表6 擊系數(shù)結(jié)果表

5 結(jié) 論

(1)靜載試驗(yàn)作用下簡(jiǎn)支工字梁跨中最大正彎矩工況試驗(yàn)效率為1.00,滿足測(cè)試要求。簡(jiǎn)支梁跨中最大正彎矩控制截面的主要控制測(cè)點(diǎn)的撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1,表明橋梁實(shí)際工作狀況優(yōu)于理論狀況。簡(jiǎn)支梁控制截面的撓度和應(yīng)變與其理論值呈線性關(guān)系,且實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形和相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%,結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀況。

(2)在動(dòng)載測(cè)試的過(guò)程中預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁橋?qū)崪y(cè)第一階自振頻率均大于理論值,反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。在車速10km/h～50km/h行車作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力增大效應(yīng)小于理論狀況,車速60km/h行車作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力增大效應(yīng)大于理論狀況。移動(dòng)荷載作用下橋梁控制截面所受動(dòng)應(yīng)變基本呈上升變化趨勢(shì)。

(3)試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支工字梁橋在受到靜力及動(dòng)力荷載作用下滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)橋梁處于彈性工作狀態(tài),無(wú)其它不穩(wěn)定狀況發(fā)生,動(dòng)力性能較好且具有良好的剛度。