某寬幅連續(xù)箱梁橋承載能力評定

賈 毅,田 浩,李曉章,奎智堯

(1.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500;2.云南省抗震工程技術研究中心,云南 昆明 650500)

隨著國家深入扶貧,公路事業(yè)發(fā)展迅猛,橋梁作為道路的關鍵一環(huán)也在日益增加。在橋梁運營過程中,混凝土梁橋易碳化開裂,對橋梁的安全使用產(chǎn)生嚴重影響。因此對既有橋梁的工作狀態(tài)進行評估,以確定其各性能狀況是否良好顯得十分重要。

對于橋梁承載能力的評定,荷載試驗是最直接和有效的方法之一?？梢曰陟o載試驗測得橋梁的強度和剛度,基于動載試驗測得橋梁的自振特性和橋面平整度,從而分析橋梁的工作狀態(tài)。賈毅等[1-2]研究了寬幅簡支梁橋及高墩大跨連續(xù)剛構橋的承載能力;于玲等[3]采用灰色cos(x2)變換對箱梁內(nèi)力進行了比較精準的預測;張征文等[4]利用荷載試驗對有限元模型進行了有效修正;T.Adamakos[5]等將梁狀結構單元空間系統(tǒng)對復合材料橋梁進行建模的新方法應用于彎曲復合材料橋梁的建模,更準確地計算了彎曲復合材料橋梁的內(nèi)力和變形。目前已有研究主要集中在普通連續(xù)箱梁橋的承載能力,而很少有學者對寬幅連續(xù)箱梁橋進行研究?；诖?筆者基于福貢木尼瑪大橋為工程背景,以荷載試驗為手段,對寬幅連續(xù)箱梁橋的承載能力和工作性能進行研究。靜載試驗表明橋梁強度和剛度均滿足設計要求,相對殘余位移也未超限,橋梁的變形恢復能力較好;動載試驗數(shù)據(jù)表明橋梁橋面較平整。研究結果為寬幅連續(xù)箱橋梁的發(fā)展和應用提供了有效依據(jù)。

1 工程概況

某連續(xù)梁橋上部結構為67 m+122 m+67 m預應力連續(xù)箱梁,車道布置形式為0.5 m(防撞護欄)+2.5 m(人行橫道)+14.5 m(行車道)+2.5 m(人行橫道)+0.5 m(防撞護欄)=20.5 m,橋墩支座頂梁高7.2 m,跨中位置梁高3 m,頂寬20.5 m,底寬11.5 m,腹板端部厚90 cm,跨中厚50 cm,跨中設橫隔板一道。大橋設計荷載為城市-A級,設計速度為30 km/h,人群荷載2.4 kPa。橋型立面圖如圖1所示。

圖1 橋型立面及應變測試截面Fig.1 Bridge elevation and strain test section

采用專業(yè)橋梁結構軟件Midas Civil建立福貢木尼瑪大橋的計算模型(見圖2)。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21—01—2015),結合實際情況按影響線確定試驗荷載的大小和位置[6]。

圖2 有限元計算模型圖Fig.2 Finite element model

2 靜載試驗

2.1 測點布置

為了滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21—01—2015)及設計要求,測試截面按照最不利受力原則選定[7]。JM1、JM3、JM5測試截面應變測點布設于截面底板,共5個測點,如圖3(a)所示;JM2、JM4測試截面應變測點布設于截面底板以及靠近頂板位置的側腹板上,共6個測點,如圖3(b)所示。在L/4跨、跨中、3L/4跨、墩臺頂處各設1個撓度截面(見圖3(c)),各撓度測試截面的測點布設于橋面兩側,共兩個測點,分別距人行道路緣石20 cm(見圖3(d))。

圖3 撓度和應變測點布置Fig.3 Arrangement of deflection and strain measuring points

2.2 橋梁靜載試驗工況

橋梁靜載試驗主要測其在靜力荷載下的變形和位移,是評定橋梁承載能力最直接和最有效的手段和方法[8-10]。選取關鍵截面進行加載,一般為結構最不利位置,試驗荷載的大小和位置需按內(nèi)力等效原則確定,使試驗荷載和控制荷載的比值控制在規(guī)范要求之內(nèi),同時確保在加載過程中各個工況的安全處于可控中[11-12]。

2.3 靜載試驗效率系數(shù)

確定車輛的多少是靜載試驗的關鍵步驟,按最不利控制內(nèi)力和內(nèi)力等效原則來確定車重,使得其荷載效率滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21—01—2015)中要求的0.95≤ηq≤1.05。根據(jù)計算結果,本次試驗需要8輛370 kN級兩軸載重車。

已有試驗數(shù)據(jù)表明,當采用中載加載時,橋梁結構最易產(chǎn)生不利影響,計算得到工況1～工況10的荷載效率系數(shù)(見表1)。從表中可以看出,各個工況下荷載效率系數(shù)介于0.95～1.05,滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21—01—2015)的要求。

表1 靜載試驗效率系數(shù)Table 1 Efficiency coefficient of static load test

2.4 撓度測試結果

在工況1～工況10的作用下,測得各個測點的撓度,并與其對應的撓度理論值相比較,結果如圖4所示,各個工況下的撓度校驗系數(shù)如圖5所示。從圖4可以看出,在試驗荷載作用下,每個截面測點測得的撓度值均小于其相應的理論計算值。橋跨結構撓度曲線光滑連續(xù),與理論計算曲線走向一致,表明橋跨結構整體工作性能正常。從圖5可以看出,撓度校驗系數(shù)在0.62～0.80,滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21—01—2015)的要求,表明結構剛度符合設計要求。

圖4 各截面撓度結果Fig.4 Results of deflection of each section

圖5 各工況下的撓度校驗系數(shù)Fig.5 Deflection check coefficient under various working conditions

2.5 應變測試結果

在各工況試驗荷載作用下，測試主梁各測試截面中各測點的應變值，并與相應的有限元結果進行對比，其中應變以受拉為正，受壓為負。采用DH3819應變測試系統(tǒng)分別對各個測點進行應變測試,主要測試這些截面的彈性應變值及總應變值以確定其受力性能。在工況1～工況10作用下,各截面應變實測值、理論值和應變檢驗系數(shù)如圖6、圖7所示,相對殘余應變結果見表2。

圖6 各工況下應變對比圖Fig.6 Strain comparison diagram under various working conditions

從圖6可以看出,在荷載作用下,各截面的應變值均小于其相應的理論值,橋梁強度滿足設計要求。從圖7看出,各工況下應變校驗系數(shù)在0.48～0.80;從表2可以看出,相對殘余應變均小于20%。結構強度和剛度均滿足設計要求。

圖7 各工況下應變校驗系數(shù)Fig.7 Strain check coefficient under various working conditions

表2 相對殘余應變Table 2 Relative residual strain

3 動載試驗

3.1 自振特性測試

本次橋梁結構的動載試驗包括脈動試驗、無障礙行車試驗、有障礙行車試驗[13]。橋梁結構的自振特性(自振頻率、阻尼比和振型)是橋梁的一種固有特性[14]。筆者采用環(huán)境隨機激振法(脈動法)進行測試,利用DH5907N無線橋梁模態(tài)測試分析系統(tǒng)進行橋梁結構模態(tài)分析。經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后得到結構自振頻率實測值與其相應的理論計算值,結果見表3。

表3 模態(tài)分析結果Table 3 Results of modal analysis

3.2 動應變分析

無障礙行車試驗用于測試橋面行車道鋪裝層較平整,車輛正常行駛的狀況[15-18]。用37 t的貨車1輛,分別以表4中各個工況的速度通過橋梁,測量橋梁的動力響應,通過軟件分析得到?jīng)_擊系數(shù)。有障礙行車試驗是車輛通過路面缺陷所反映的動力響應[19-20]。用高度5 cm左右的木條模擬路面缺陷,再以表4中速度行駛通過該截面。根據(jù)動應變計算出的沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)結果見表4。

3.3 動載試驗結果

通過模態(tài)試驗分析得到該橋前三階豎向頻率分別為1.17 Hz、2.15 Hz、2.88 Hz,均大于相應的理論值(0.95 Hz、1.98 Hz、2.75 Hz)。表3數(shù)據(jù)表明,橋梁的前三階豎向頻率大于相應的理論值,其實際剛度要優(yōu)于理論剛度[21]。

表4 動載試驗各工況實測及分析結果Table 4 Measured and analyzed results of dynamic load test under various working conditions

根據(jù)表4可知,在動應變測試試驗中,比較橋梁試驗沖擊系數(shù)與理論計算沖擊系數(shù),無障礙行車時的最大沖擊系數(shù)μmax=0.022,小于《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中的沖擊系數(shù)μ=0.05,表明橋梁的沖擊效應滿足上述規(guī)范要求。該橋的實測自振特性及動力響應滿足設計要求。

4 結 論

(1)某連續(xù)箱梁橋靜載和動載試驗表明,該橋撓度校驗系數(shù)介于0.62～0.80,應變校驗系數(shù)介于0.48～0.80,表明橋梁實際情況優(yōu)于理論情況。同時測點的實測值(應變、撓度)均小于其相應的理論值,說明該橋符合設計要求。

(2)橋梁結構卸載后的相對殘余應變最大值為19.1%,均小于20%,說明橋梁結構變形能迅速恢復,橋梁結構彈性較好。

(3)橋梁的前三階豎向實測振動頻率均大于相應的理論值,實測振型與理論振型較吻合,表明結構的整體剛度較大。

(4)無障礙行車工況下,橋梁的最大沖擊系數(shù)小于規(guī)范值,表明橋面總體較平順;橋梁有障礙行車工況下測得μmax=0.12,是無障礙工況的6倍左右,表明橋面行車道不平整會影響橋梁的工作性能。