枯柯河大橋荷載試驗(yàn)研究

羅瑛 施汝軍 黃林 張森

摘要：本文以枯柯河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)其進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，其中，靜載試驗(yàn)測(cè)試了該橋橋跨結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)變與撓度，動(dòng)載試驗(yàn)通過(guò)無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)測(cè)試該橋橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和沖擊系數(shù)，最后，通過(guò)脈沖試驗(yàn)測(cè)試了固有模態(tài)、阻尼比及各階振型。試驗(yàn)結(jié)果表明：各試驗(yàn)工況下橋跨結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度儲(chǔ)備和強(qiáng)度儲(chǔ)備。橋梁的實(shí)測(cè)頻率高于理論計(jì)算頻率，實(shí)測(cè)阻尼比屬正常范圍，橋梁的動(dòng)力性能良好。橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)無(wú)障礙行車動(dòng)力增大系數(shù)、有障礙行車動(dòng)力增大系數(shù)，橋跨結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;荷載試驗(yàn);效率系數(shù);檢驗(yàn)系數(shù);承載能力

中圖分類號(hào)：TU1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0149-03

1引言

橋梁荷載試驗(yàn)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力最直觀的方法[1]。通過(guò)施加荷載使橋梁達(dá)到某種最不利受力狀態(tài)，使橋梁產(chǎn)生變位或振動(dòng)等響應(yīng)，從而獲得橋梁特定截面的應(yīng)變、位移、加速度等數(shù)據(jù)。按照橋跨結(jié)構(gòu)的受荷反應(yīng)，可將施加荷載分為靜載和動(dòng)載，靜載試驗(yàn)是指將靜止的荷載施加到橋梁結(jié)構(gòu)的指定位置，測(cè)試橋梁控制截面的靜應(yīng)變、靜位移及裂縫等數(shù)據(jù)。從而推斷出橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力[2-3]。動(dòng)載試驗(yàn)是使用激振力使橋梁發(fā)生振動(dòng)，測(cè)得橋梁的振動(dòng)信號(hào)，得出相應(yīng)的振型、周期、阻尼等數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力特性[4-5]。

本文以枯柯河大橋荷載試驗(yàn)為背景，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)的投入使用提供依據(jù)。

2工程概況及試驗(yàn)編號(hào)

2.1工程概況

枯柯河大橋左右線孔跨布置為：1×40+（80+150+80）+1×40m。其中主橋采用跨度的（80+150+80）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，箱梁根部梁高9.2m，跨中梁高3.2m。箱梁頂板橫向?qū)?2.5m，箱底寬7.0m，翼緣懸臂長(zhǎng)2.75m。橋梁編號(hào)布置圖及立面見(jiàn)圖1。

2.2試驗(yàn)編號(hào)

本次檢測(cè)以“昌寧→保山”方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，面向路線前進(jìn)方向，左手邊為左側(cè)，右手邊為右側(cè)。如圖1所示。

3荷載試驗(yàn)

3.1靜載試驗(yàn)方案及車輛布置

枯柯河大橋?yàn)橐蛔B續(xù)剛構(gòu)橋，由于橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)剛性連接，在豎向荷載作用下，會(huì)在主梁的端部產(chǎn)生較大的支座負(fù)彎矩，結(jié)合其受力特點(diǎn)，擬定試驗(yàn)工況如表1所示：

中載和偏載加載車車輛橫向分布位置布置圖見(jiàn)圖2。

3.2試驗(yàn)荷載加載效率

為確保試驗(yàn)數(shù)準(zhǔn)確可靠，靜載試驗(yàn)荷載施加效率應(yīng)滿足下式規(guī)定：

式中： Ss -靜力荷載作用下，試驗(yàn)工況所對(duì)應(yīng)控制截面的內(nèi)力計(jì)算值。

S，-設(shè)計(jì)荷載作用下控制截面內(nèi)力計(jì)算值;

μ-規(guī)范規(guī)定的沖擊系數(shù);

ηq -靜力試驗(yàn)的荷載加載效率。

通過(guò)計(jì)算各工況效率系數(shù)介于0.862～1.023之間，均滿足加載效率要求。

3.3動(dòng)載試驗(yàn)方案

本次動(dòng)載試驗(yàn)需檢驗(yàn)該橋的自振特性及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，故擬定測(cè)驗(yàn)工況如表3所示。

3.4測(cè)點(diǎn)布置

橋梁靜載試驗(yàn)加載方案，結(jié)合該橋的受力特點(diǎn)，選取 JM1、JM2和 JM3作為控制截面（如圖1所示）。

撓度測(cè)點(diǎn)布置于橋跨的兩端、L/4和跨中位置，每個(gè)截面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置見(jiàn)圖3。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置：JM1、JM3截面的1～5#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置于箱梁底部，6#測(cè)點(diǎn)位于左側(cè)翼緣，7#、8#測(cè)點(diǎn)分別位于腹板外側(cè);每個(gè)截面8個(gè)測(cè)點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)。

JM2截面的1～4#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在左側(cè)翼緣，5～8#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在腹板外側(cè)。該截面共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置圖如圖5所示。

說(shuō)明：圖中“”標(biāo)記為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

在橋梁中跨跨中底板布置五個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（縱向），布置如圖6所示：

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

該橋的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的理論值，校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余應(yīng)變見(jiàn)表4、表5。各工況靜載試驗(yàn)作用下，橋梁未發(fā)生明顯的形變，也未出現(xiàn)明顯的裂縫。荷載施加后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽烤幱诤侠矸秶?，其變化?guī)律與理論值一致，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)隽勘认鄳?yīng)的理論計(jì)算值小。多數(shù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.6～0.7內(nèi)，表明該橋的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備較高，有一定的富余量。卸載后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變恢復(fù)能力強(qiáng)，其相對(duì)殘余應(yīng)變的最大值為17.40%，滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形是衡量結(jié)構(gòu)工作性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，其撓度校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余應(yīng)變見(jiàn)表6、表7。試驗(yàn)結(jié)果表明：該橋的剛度和強(qiáng)度都有較高的安全儲(chǔ)備，抵抗和恢復(fù)變形的能力較強(qiáng)，其實(shí)際的承載能力能夠滿足正常使用要求。

4.2動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

本項(xiàng)目采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用有限元程序 Midas Civil 對(duì)枯柯河大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型計(jì)算結(jié)果，為測(cè)點(diǎn)布置和評(píng)估分析提供理論依據(jù)，一階至三階豎向彎曲振型計(jì)算頻率分別為1.102Hz、1.894Hz，2.424Hz，本橋脈動(dòng)工況下模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

橋梁自振特性測(cè)試得到主橋一階豎向?qū)崪y(cè)振動(dòng)頻率為1.216 Hz，大于相應(yīng)的理論計(jì)算值1.102 Hz，實(shí)測(cè)振型與理論振型基本吻合，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。

不同車速的無(wú)障礙行車作用下，實(shí)測(cè)橋跨最大沖擊系數(shù)為0.029，小于依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第4.3.2條計(jì)算值μ=0.05，表明橋面總體較平順;橋梁結(jié)構(gòu)在跳車工況下沖擊系數(shù)比無(wú)障礙行車（勻速跑車）工況下沖擊系數(shù)明顯增大，最大值為0.208，表明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀況帶來(lái)不利的影響，保持橋面平整度對(duì)改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力行為較為重要。

5結(jié)論

（1）橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度都具有充足的富余量，抵抗和恢復(fù)變形的能力強(qiáng)，能夠滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求

（2）橋梁的實(shí)測(cè)頻率高于理論計(jì)算頻率，實(shí)測(cè)阻尼比屬正常范圍，橋梁的動(dòng)力性能良好。

（3）橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)無(wú)障礙行車動(dòng)力增大系數(shù)、有障礙行車動(dòng)力增大系數(shù)，與同類型橋梁相比，橋跨結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常。

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