立交橋動(dòng)靜載試驗(yàn)分析

王哲龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

立交橋動(dòng)靜載試驗(yàn)分析

王哲龍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)成橋質(zhì)量的一種重要試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。本文對(duì)某立交橋進(jìn)行了動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)及有限元理論計(jì)算，對(duì)比分析了橋梁在靜載作用下的變形和內(nèi)力及動(dòng)載作用下的頻率、振型和阻尼比，據(jù)此對(duì)立交橋加固后行車安全進(jìn)行評(píng)估。分析結(jié)果表明：立交橋靜剛度和強(qiáng)度基本滿足要求，但安全儲(chǔ)備低。

動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)；有限元；數(shù)據(jù)分析

1 工程概況

該立交橋位于白銀城區(qū)建設(shè)北路S217線上，與建設(shè)路相交，上跨鐵路，向北與S217線景白路相接，東西方向人字與建設(shè)路相接，為景泰、白銀市城市西部、包蘭鐵路以北地區(qū)進(jìn)城的主要公路。該橋?yàn)?994年修建，結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁+T型簡(jiǎn)支梁，Y形柱式橋墩。連續(xù)梁跨度為20m，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T型梁跨度為25m，兩側(cè)設(shè)0.8m鋼護(hù)欄，原設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100級(jí)。為評(píng)估該橋當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)［1-2］，故對(duì)該橋進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)。

2 理論計(jì)算

本文采用通用有限元程序MIDAS建立空間有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)力計(jì)算和分析，分別計(jì)算了試驗(yàn)車輛作用下，各種靜力工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及自振頻率、阻尼等動(dòng)力參數(shù)，以便與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，據(jù)此對(duì)立交橋加固后行車安全進(jìn)行評(píng)估。本文靜力計(jì)算以空間實(shí)體單元來模擬主梁結(jié)構(gòu)，動(dòng)力分析以空間梁?jiǎn)卧獊砟M主梁結(jié)構(gòu)。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 動(dòng)靜載試驗(yàn)

3.1 測(cè)試孔跨、截面及測(cè)點(diǎn)

本橋?yàn)樯峡玷F路的立交結(jié)構(gòu)，由簡(jiǎn)支梁和基本對(duì)稱的東西匝道連續(xù)梁組成，故取上跨鐵路的簡(jiǎn)支T梁及東匝道5跨連續(xù)梁為試驗(yàn)對(duì)象，由于東西匝道在9號(hào)墩分叉，邊跨處于東西匝道交匯處，受力比較復(fù)雜，由以上原則，連續(xù)梁選取次邊跨、中跨做為測(cè)試孔跨。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》［3］，選取25m的簡(jiǎn)支T梁跨中截面和東引道5× 20m連續(xù)梁橋的次邊跨和中跨跨中截面及支點(diǎn)截面作為測(cè)試截面。截面測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)支T梁及連續(xù)梁橋靜載下截面測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 試驗(yàn)荷載及加載方式

根據(jù)相關(guān)規(guī)定［4］，靜載荷載的效率取為0.8≤η≤1.05。按控制截面設(shè)計(jì)荷載的內(nèi)力（位移）等效加載，采用2輛35t的載重汽車。

3.2.1 靜載加載方式

試驗(yàn)荷載的縱向加載方式依據(jù)相關(guān)規(guī)范［5］及立交橋的內(nèi)力影響線和位移影響線來確定。根據(jù)測(cè)試內(nèi)容，T梁和連續(xù)梁共分8種工況，分別為：工況1：T梁A-A截面最大正彎矩對(duì)稱加載；工況2：T梁A-A截面最大正彎矩橫向偏心加載；工況3：連續(xù)梁次邊跨B-B截面最大正彎矩對(duì)稱加載；工況4：連續(xù)梁次邊跨B-B截面最大正彎矩橫向偏心加載；工況5：連續(xù)梁支點(diǎn)C-C截面最大負(fù)彎矩對(duì)稱加載；工況6：連續(xù)梁支點(diǎn)C-C截面最大負(fù)彎矩橫向偏心加載；工況7：連續(xù)梁中跨D-D截面最大正彎矩對(duì)稱加載；工況8：連續(xù)梁中跨D-D截面最大正彎矩橫向偏心加載。

3.2.2 動(dòng)載加載方式

采用一輛載重車分別以5km/h﹑10km/h﹑20km/ h﹑30km/h的速度在橋上行駛，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)，利用過車后橋梁結(jié)構(gòu)的余振（自由振動(dòng)）波形進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)位移結(jié)果分析

立交橋控制截面各測(cè)點(diǎn)的豎向位移實(shí)測(cè)值、理論值及校驗(yàn)系數(shù)η分別見表1、表2。分析可得：

1）25mT梁橋跨的最大位移與跨徑之比0.00378/25=1/6613，連續(xù)梁段的最大位移與跨徑之比0.0013/20=1/15384，小于規(guī)范限定值1/600。

2）各工況下T梁橋各測(cè)點(diǎn)位移校驗(yàn)系數(shù)最小值為0.91，最大值為0.97，平均值為0.936，接近規(guī)范容許范圍0.6-1.0的最大值；連續(xù)梁各測(cè)點(diǎn)位移校驗(yàn)系數(shù)最小值為0.79，最大值為0.82，平均值為0.80，等于規(guī)范容許范圍0.4-0.8的最大值，但個(gè)別值超出規(guī)范容許范圍。故T梁、連續(xù)梁靜剛度滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但安全儲(chǔ)備較低。

表1 T梁橋跨結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向位移理論值、實(shí)測(cè)值及η

表2 連續(xù)橋跨結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向位移理論值、實(shí)測(cè)值及η

3.3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

立交橋控制截面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值、理論值及校驗(yàn)系數(shù)η分別如表3、4所示。分析可知：

各工況下，立交橋控制截面上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力未出現(xiàn)異常變化情況，且實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律和理論分析結(jié)果基本吻合。

各工況T梁橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最小值為0.86，最大值為0.9，平均值為0.88，接近規(guī)范容許范圍0.5-0.9的最大值；連續(xù)梁橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最小值為 0.67，最大值為 0.71，平均值為0.69，大部分?jǐn)?shù)值接近規(guī)范容許范圍0.3-0.7的最大值，但個(gè)別數(shù)值超出規(guī)范容許范圍。故T梁、連續(xù)梁強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但安全儲(chǔ)備較低。

表3 T梁橋跨結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論值、實(shí)測(cè)值及η

表4 連續(xù)梁橋跨結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論值、實(shí)測(cè)值及η

3.3.3 動(dòng)載試驗(yàn)工作性能評(píng)估

立交橋結(jié)構(gòu)自振頻率的理論值和實(shí)測(cè)值見表5、6，不同行車速度的阻尼比實(shí)測(cè)值見表7。

表5 簡(jiǎn)支梁自振頻率（Hz）

表6 連續(xù)梁自振頻率（Hz）

表7 不同行車速度的阻尼比

分析表5、6可知，立交橋T梁自振頻率實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，說明T梁的動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求；連續(xù)梁自振頻率實(shí)測(cè)值比理論值稍小一點(diǎn)，說明連續(xù)梁的動(dòng)剛度較弱。

對(duì)于鋼筋混凝土橋，阻尼比經(jīng)驗(yàn)值的平均值為0.032。由表7中的數(shù)據(jù)可以看出，立交橋阻尼比的平均值為0.042，大于0.032，說明立交橋加固后雖然消除了部分裂縫，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍然存在一定裂縫，造成梁體結(jié)構(gòu)耗能較大。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）在靜載試驗(yàn)荷載作用下，立交橋T梁結(jié)構(gòu)的最大豎向位移未超過規(guī)范限定值，各測(cè)點(diǎn)位移和應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值變化規(guī)律基本一致，且實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，而校驗(yàn)系數(shù)接近規(guī)范容許范圍的最大值，故T梁靜剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但安全儲(chǔ)備較低；連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的最大豎向位移未超過規(guī)范限定值，各測(cè)點(diǎn)位移和應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值變化規(guī)律基本一致，且實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，而校驗(yàn)系數(shù)接近規(guī)范容許范圍的最大值，個(gè)別數(shù)值甚至超出規(guī)范容許范圍，因此，連續(xù)梁靜剛度和強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但安全儲(chǔ)備低。

2）立交橋T梁自振頻率實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，說明T梁的動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求；連續(xù)梁自振頻率實(shí)測(cè)值比理論值稍小一點(diǎn)，說明連續(xù)梁的動(dòng)剛度較弱。立交橋的阻尼比平均值為0.042，大于經(jīng)驗(yàn)值，說明立交橋原橋裂縫較多，加固后雖然消除了部分裂縫，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍然存在一定裂縫，造成梁體結(jié)構(gòu)耗能較大。

4.2 建議

1）由于原橋既有設(shè)計(jì)荷載等級(jí)偏低，為了延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命和行車安全，建議車輛單軸重量≤10t,車速≤20km/h，進(jìn)行限載限速。

2）由于該橋?yàn)檫B接景泰和白銀之間的重要通道，車流量大，建議對(duì)該橋進(jìn)行定期檢查、維護(hù)。

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