高新區(qū)豐達橋服役期可靠性評價分析

崔宇鵬

(中國公路工程咨詢集團路橋設計研究院分公司,湖北 武漢 430040)

橋梁是交通網(wǎng)的關鍵節(jié)點,其使用性能的好壞直接決定著交通網(wǎng)的通暢程度[1]。結構的承載力和穩(wěn)定性在橋梁長期疲勞荷載作用下,均受到不同程度的影響[2]。橋梁檢測工作能夠為工程結構質量評價提供可靠的實測數(shù)據(jù),因此,對橋梁結構進行定期檢測勢在必行[3]。荷載試驗作為橋梁檢測的重要方法,可以直接準確分析橋梁結構的承載能力,保證橋梁的安全可靠運營[4]。

1 工程概況

豐達橋位于南寧市高新區(qū)豐達路,上跨心圩江,橋梁建成于2009年。全橋共分為3跨,橋梁全長89.40 m,橋面全寬52.10 m,采用的跨徑組合為:3×25 m。上部結構采用預應力混凝土空心板,每跨單幅縱向布置20片空心板,縱向采用簡支結構,橫向采用鉸接方式連接,每片空心板底寬1.29 m,高1.12 m。采用矩形板式橡膠支座。樁柱式墩臺應用于橋梁的下部結構。0#、3#臺橋面處各設伸縮縫1道,橋面鋪裝厚15 cm,采用C40水泥混凝土橋面鋪裝,橋寬布置為:5.30 m(人行道)+6.40 m(輔道)+1.40 m(分隔帶)+25.90 m(行車道)+1.40 m(分隔帶)+6.40 m(輔道)+5.30 m(人行道)。

2 試驗前后橋梁外觀檢查

2.1 外觀檢查方法

橋梁外觀檢查是對橋梁的外部表面和構件的表觀病害全面檢查,采用儀器結合人工觀測的方式進行。

2.2 試驗前外觀檢查

為確定荷載試驗不同橋跨、不同試驗工況下特殊觀測點的位置,試驗前應對橋梁的表觀狀況進行檢查。記錄既有裂縫的長度、寬度、分布及走向,并標注在結構上。如有必要,選取觀測裂縫,布置裂縫寬度觀測點。根據(jù)結構受力形式和荷載試驗擬加載工況,重點檢查控制截面和測試截面附近是否存在裂縫及其他病害。荷載試驗前已完成全橋的外觀檢查,檢查中未發(fā)現(xiàn)對承載力有直接影響的病害。

2.3 試驗后外觀檢查

試驗后對試驗跨測試截面附近結構表觀狀況進行檢查,核對原有病害擴展情況及檢查是否有新增裂縫及其他新增病害。重點核對既有裂縫的長度、寬度及是否出現(xiàn)衍生裂縫,測量新增裂縫的位置、長度及寬度等。荷載試驗后的外觀檢查中未發(fā)現(xiàn)新增病害。

3 靜載試驗

3.1 試驗跨選取

豐達橋全橋共分為3跨,上部結構采用3×25 m 預應力混凝土連續(xù)空心板,綜合考慮受力特性以及儀器設備的便利后,與委托方商定后,荷載試驗橋跨為:豐達橋第2#跨和3#跨。

3.2 結構理論計算

3.2.1 構件幾何、物理參數(shù)

荷載試驗前對橋梁各構件進行了詳細的尺寸測量,并對橋梁構件的混凝土強度、碳化深度等進行了回彈法檢測,并對其進行了實際強度的計算。

(1)C50混凝土空心板。

豐達橋上部結構采用3×25 m預應力混凝土連續(xù)空心板,根據(jù)回彈法檢測結果,空心板混凝土強度推定值>60 MPa,結合原設計圖紙橋梁結構的混凝土設計強度,最終判斷出該橋梁空心板混凝土強度等級為C50。參數(shù)取值如下:①混凝土彈性模量Ec=3.45×104MPa;②容重γ1=26 kN/m3。

(2)橋面系。

豐達橋C40混凝土橋面鋪裝厚度為15 cm,C40混凝土容重γ2=26 kN/m3。

3.2.2 有限元模型

采用數(shù)值模擬軟件midas Civil建立有限元計算模型,詳見圖1,通過“梁格法”對豐達橋結構進行數(shù)值模擬分析。

圖1 豐達橋(3×25 m預應力混凝土連續(xù)空心板)有限元計算模型

3.2.3 試驗控制荷載

(1)汽車荷載等級。

荷載試驗依據(jù)委托單位提供的高新區(qū)內其余橋梁的圖紙資料,計算兩種不同汽車荷載等級作用下的截面內力。豐達橋最不利情況下的汽車荷載等級為《城市橋梁設計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11—2011)[5]規(guī)定的“城-A級”,該荷載等級對應的車道荷載應在計算時采用。

(2)橫向折減系數(shù)。

豐達橋行車道凈寬25.90 m,車輛雙向行駛,橋面劃分6條機動車道。豐達橋按1～6車道進行布載計算時,車道橫向折減系數(shù)分別為1.00、1.00、0.80、0.67、0.60和0.55。

(3)縱向折減系數(shù)。

根據(jù)《城市橋梁設計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11—2011)的規(guī)定,車道的縱向折減不在考慮之列,故不考慮縱向折減的系數(shù)。

(4)沖擊系數(shù)。

按《城市橋梁設計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11—2011)的4.1.7.4條的要求,計算沖擊系數(shù)μ為

(1)

式中:l為跨徑,m。由此計算出沖擊系數(shù)μ=0.190。

3.3 試驗工況

3.3.1 試驗加載車

靜載試驗選取的車輛技術指標見圖2,軸距和軸重參數(shù)見表1。

表1 軸距和軸重參數(shù)

圖2 試驗加載車立面及側面(單位:cm)

3.3.2 試驗工況

豐達橋2#跨和3#跨共安排正載和右側偏載5個試驗工況?？刂平孛娌贾靡妶D3。

—控制截面所在位置。圖3 豐達橋靜載試驗控制截面(單位:cm)

3.4 測試截面及測點布置

3.4.1 測試截面

采用midas Civil進行數(shù)值模擬分析,根據(jù)內力包絡圖和設計荷載確定測試截面。測試截面一般包含控制截面,當現(xiàn)場無法或不方便在控制截面布置測點時,可調整測試位置,但須滿足試驗分析要求。

豐達橋共布置3個測試截面:A3、A2及Z2f。其中A3、A2分別為3#跨和2#跨空心板最大正彎矩截面,即相應工況的控制截面,因無法在2#墩支點Z2截面布置空心板下緣應變測點,所以未選取此截面為測試截面,測試截面為Z2截面往創(chuàng)新路方向偏移1.00 m的Z2f截面。

3.4.2 測點布置

(1)位移測點。

①撓度測點。在豐達橋空心板底面布置豎向位移測點,采用位移傳感器測量,每截面20個測點,全橋共40個測點。

②支座壓縮測點?？招陌遑Q向位移包含了試驗荷載作用產(chǎn)生的撓度和支點沉降引起的豎向位移,因此,應對支點的豎向位移進行測量,以得出試驗荷載作用產(chǎn)生的真正的撓度[6]。靜載試驗僅測量支座壓縮變形量,不考慮墩臺變位值。

豐達橋支座壓縮測點布置于3#臺、2#墩、1#墩支座附近,采用位移傳感器測試。將傳感器固定于支座旁蓋梁或帽梁處,測量該處與空心板底面的豎向相對位移值作為支座壓縮變形量。16個測點布設于2#墩處,其余16個測點平均分布于1#墩和3#臺處,測點共計32個。

(2)應變測點。

應變測點平均布設在豐達橋上部結構空心板A3、A2、Z2f三個截面,每截面共20個測點,全橋共布置60個混凝土應變測點。

3.5 試驗過程控制

3.5.1 試驗加載

(1)為檢查儀器工作狀態(tài)是否正常,先采用單輛試驗車作為預加荷載,再進行正式加載。

(2)試驗車輛將采取分級加載,在不同工況條件下,每級計算測試截面的應變與撓度。按彈性力學原理,確認該級車輛滿足正常的范圍,再加下一級車載。

(3)前一級加載相對穩(wěn)定后,需進行有效測試及記錄。控制截面最大內力加載試驗時,穩(wěn)定時間>5 min。

3.5.2 試驗控制

在不同工況下,觀測加卸載過程的薄弱部位及應變的破損情況,并與理論值對比。如發(fā)生變形及應變值超過計算值、變形分布規(guī)律異常、結構裂縫程度加大、橋體發(fā)出異響等情況,應當立即停止加載,經(jīng)查明原因、落實措施后再進行試驗。

3.6 試驗結果及分析

對豐達橋進行了橋梁靜載試驗,試驗過程現(xiàn)場溫度為10.2～11.5 ℃,每個工況溫度變化未超過1.0 ℃。得出數(shù)據(jù)分析結果:(1)撓度校驗系數(shù)處于0.591～0.752之間,結果均≤1.0,檢測跨的剛度滿足設計及規(guī)范要求;(2)應變校驗系數(shù)在0.372～0.809之間,結果≤1.0,檢測跨的整體強度符合要求;(3)最大相對殘余撓度和殘余應變分別為8.4%和7.1%,結果≤20%,為彈性受力狀態(tài);(4)在靜載作用下空心板兩端的支座壓縮變形均加大,實測最大值為0.47 mm,卸載后增加的壓縮基本恢復。

4 動載試驗

動載試驗包括脈動試驗、無障礙行車試驗和制動試驗,分別對豐達橋的豎彎自振頻率、阻尼比、試驗跨動應變、動撓度及沖擊系數(shù)進行測定[7]。

4.1 脈動試驗

4.1.1 測試方法

脈動試驗選擇環(huán)境脈動法,通過DH5907系統(tǒng)分析模擬采集結構振動信號,要求識別豐達橋第1階、第2階豎彎自振頻率和阻尼比。

4.1.2 測試截面及測點布置

橋梁動載的測試截面常與橋梁結構最大振型有關。分別在豐達橋各試驗跨L/4、L/2、3L/4截面處橋面行車道上安裝1個豎向速度傳感器測試結構的振動時域波形。要求現(xiàn)場采集時間≥30 min,以保證頻率分辨率和提高信噪比。

4.2 無障礙行車試驗

4.2.1 試驗加載車

無障礙行車試驗[8]采用車輛與靜載試驗中的車輛一致(見圖2),均為三軸載重車輛。

4.2.2 試驗工況

為確保橋梁結構及行車的安全性,無障礙行車試驗通過行車道時保證最大車速≤40 km/h,同時在右側行車道布置1輛總重為41 t的加載車,車速間隔10 km/h。共設計3個試驗工況,即1輛試驗車勻速通過試驗聯(lián),時速分別為20、30、40 km/h。

4.2.3 測試截面及測試內容

無障礙行車試驗過程中選擇的測試截面-A3、A2截面,均為橋梁結構振動響應幅度最大的截面。通過JM3844系統(tǒng)對截面的動應變和動撓度進行測試,測定車輛耦合振動和橋梁自由衰減振動的動態(tài)響應,記錄時間以衰減振動波形的振幅衰減至0為止。各截面動應變和動撓度分別由混凝土應變片、位置傳感器進行測量[9]。

4.3 制動試驗

4.3.1 測試方法、試驗加載車及激振部位

制動試驗采用的加載車為表1中的3#車;由于加載車總重約41 t,為確保橋梁結構和行車的安全性,試驗過程中最高車速不超過40 km/h,A3、A2截面附近橋面為剎車部位。

4.3.2 測試截面、測試內容

制動試驗的測試截面選取與剎車部位相同的截面,即A3、A2截面,測點布置與無障礙行車相同。通過JM3844系統(tǒng)測試,取得截面的動應變和動撓度數(shù)據(jù),同時記錄車輛耦合振動和橋梁自由衰減振動的動態(tài)響應,記錄時間范圍以振動波形的振幅衰減至0為止。

4.4 試驗過程控制

(1)通過預加載試驗檢查測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在預定采集時間內,橋梁空載動應變、動撓度信號的零點漂移要小于最大值的5%。

(2)試驗方案與試驗程序根據(jù)預加載試驗結果進行調整,調整完畢后進行加載試驗,測試過程中避免電磁場以及對講機的影響,觀測并記錄各測試參數(shù)。

(3)為確保試驗安全,要根據(jù)正式試驗的測試數(shù)據(jù)結果,判斷測試數(shù)據(jù)是否異常。若發(fā)現(xiàn)零點嚴重偏離、幅值突變等異常情況,需要終止試驗,排除故障后重新進行試驗。

(4)試驗荷載參數(shù)的記錄要具有完整性,例如:傳感器信息、適配器、采集器信息、換算系數(shù)等。

(5)為保證測試數(shù)據(jù)的準確性和完整性,待試驗全部完成后,對測試數(shù)據(jù)進行檢查和初步分析[10]。

4.5 動載試驗結果及分析匯總

在豐達橋2#跨和3#跨進行了橋梁動載試驗,由試驗得出數(shù)據(jù)并分析結果:(1)由自振參數(shù)的試驗結果計算出阻尼比和自振動頻率。第1階阻尼比為0.515%～0.568%,第二階阻尼比為0.254%～1.474%。第1階豎彎頻率為5.103 Hz,比4.743 Hz的理論計算頻率稍大;第2階豎彎頻率為6.055 Hz,也較理論計算頻率5.285 Hz偏大。(2)在無障礙行車試驗中,測定的結構實際沖擊系數(shù)在0.023～0.101之間。(3)通過無障礙行車試驗,最大動應變分別為9 με、10 με和9 με、8 με,最大動撓度分別為0.73 mm、0.64 mm和0.74 mm、0.60 mm,應變和動撓度相對穩(wěn)定,數(shù)據(jù)較大。

5 結 論

案例試驗檢測全部按照國家有關標準規(guī)范的要求進行,檢測過程中所采用的各種檢測設備均經(jīng)過檢驗、標定,檢驗過程客觀、科學,檢測結果具有較高的可靠性,能夠在一定程度上客觀反映橋梁結構服役期間的實際工作狀態(tài)。由豐達橋2#跨和3#跨的靜、動載試驗結果數(shù)據(jù)可得出以下結論,在試驗荷載作用下,豐達橋2#跨和3#跨主觀測截面的應變和撓度校驗系數(shù)均<1.0,該空心板上部結構具有良好的動力性能,豐達橋2#跨和3#跨的承載能力滿足《城市橋梁設計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11—2011)規(guī)定的正常汽車荷載(城-A級)使用要求。