人行景觀橋力學(xué)性能試驗(yàn)分析

摘 要：人行景觀橋安全與人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，在其服役期間需要掌握其力學(xué)性能，評(píng)估其狀態(tài)，以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、可靠。橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)是對(duì)現(xiàn)役和新建橋梁結(jié)構(gòu)能力判定的一種試驗(yàn)方法。本文結(jié)合某人行景觀橋受力特點(diǎn)，采用水箱注水靜載試驗(yàn)和脈動(dòng)試驗(yàn)方法，分析該橋應(yīng)變、振動(dòng)頻率等參數(shù)，獲取其實(shí)際承載能力和運(yùn)行使用狀況，確保人行橋服役時(shí)的安全性與穩(wěn)定性。對(duì)橋梁進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估的同時(shí)，也可為該橋后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理提供數(shù)據(jù)支持與合理方案。

關(guān)鍵詞：鋼桁架拱人行橋；靜載試驗(yàn)；動(dòng)載試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U 448" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

人行景觀橋憑借造型優(yōu)美、受力合理等優(yōu)點(diǎn)，廣泛服務(wù)于文化公園景點(diǎn)。為保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)景觀橋的力學(xué)性能研究具有重要意義。判定服役和新建橋梁結(jié)構(gòu)承載能力最有效的方法就是橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)[1]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程條件，靜載試驗(yàn)采用水箱注水方式進(jìn)行等效加載，動(dòng)載試驗(yàn)采用脈動(dòng)試驗(yàn)方法，通過(guò)應(yīng)變、撓度和振動(dòng)頻率對(duì)該橋梁進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證其安全性與穩(wěn)定性[2]，并為橋梁后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。某人行景觀橋上部構(gòu)造為單跨鋼桁架拱，橋面寬6m，橋面設(shè)計(jì)人群荷載為5kN/m2。

1 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是指通過(guò)試驗(yàn)荷載在規(guī)定地點(diǎn)下對(duì)大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，測(cè)量結(jié)構(gòu)控制斷面的應(yīng)力、撓度等技術(shù)參數(shù)[3]。進(jìn)行靜載試驗(yàn)前需要先通過(guò)有限元理論分析，并制定試驗(yàn)加載計(jì)劃，測(cè)試后再將理論結(jié)果和靜載試驗(yàn)結(jié)果加以比較，確定橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)行情況和設(shè)計(jì)目標(biāo)能否匹配，從而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的施工效率、運(yùn)行安全性等。這也是測(cè)試橋梁構(gòu)造安全性最直觀、合理的手段。

1.1 試驗(yàn)跨測(cè)試截面的選取

為確保靜載試驗(yàn)在具有針對(duì)性的情況下達(dá)到一定目的，選擇試驗(yàn)跨的主要準(zhǔn)則如下：為達(dá)到測(cè)試目的，通常選取在構(gòu)造中對(duì)承載力不利、施工質(zhì)量不好、結(jié)構(gòu)問(wèn)題較多或病害比較嚴(yán)重、易于搭建的鋼管腳手架以及在設(shè)置測(cè)點(diǎn)或測(cè)試時(shí)易于加載的橋梁試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載測(cè)試，以確定大橋的構(gòu)造特點(diǎn)。

根據(jù)上述靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)跨選擇方法和橋現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況條件，本橋選取拱頂截面為測(cè)試截面。

1.2 測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容的需要，從試驗(yàn)實(shí)際情況出發(fā)，選擇儀器儀表應(yīng)滿足測(cè)試精度的要求，要求測(cè)試結(jié)果的極限相對(duì)誤差不超過(guò)5％。根據(jù)實(shí)際情況，采用既簡(jiǎn)便易行、又符合要求的儀器儀表。本次試驗(yàn)采用的測(cè)試儀器為DH3819靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、DJCK-2裂縫綜合測(cè)試儀和GW-566-5W鋼卷尺。

主梁控制截面測(cè)試指標(biāo)是混凝土表面應(yīng)力（應(yīng)變），在鋼桁架表面粘貼標(biāo)距為30mm、阻值為120Ω的應(yīng)變片。在各測(cè)試截面的每片桁片布置2個(gè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備和試驗(yàn)工況

為了滿足人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承受能力的需要，試驗(yàn)負(fù)荷工況的選擇應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循橋梁結(jié)構(gòu)最不利承載力狀態(tài)的設(shè)計(jì)原理。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/TJ21-01—2015）的規(guī)定并結(jié)合試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)體系的具體情況來(lái)設(shè)置加載工況。根據(jù)本次工程特點(diǎn)，靜載試驗(yàn)主要加載試驗(yàn)工況為拱頂最大正彎矩工況。

控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算值與按設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置荷載作用下控制截面的內(nèi)力計(jì)算值的比值即是靜載試驗(yàn)荷載效率ηq。

根據(jù)測(cè)試工況列出各控制截面變位或內(nèi)力的計(jì)算值和對(duì)應(yīng)的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηq，計(jì)算可得設(shè)計(jì)人群荷載作用下跨中最大彎矩值為12.7kN·m，即S·（1+μ）（根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T233—2015）的條文6.2.5），在跨中搭建水箱至拱頂水深為890mm，擬加荷載作用下跨中最大彎矩值為12.3kN·m，即Sstat，對(duì)應(yīng)的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)ηq為96.8%。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，本次靜載試驗(yàn)采用水箱進(jìn)行等效加載。進(jìn)行實(shí)際布載時(shí)，應(yīng)控制水箱面積、水位高度來(lái)控制加載效率系數(shù)。景觀橋拱頂最大正彎矩工況的加載和卸載情況見(jiàn)表1。

在靜載試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)有限元計(jì)算的渡口景觀橋各工況下的主要控制截面的撓度和應(yīng)變理論最大值見(jiàn)表2。

1.4 試驗(yàn)程序

預(yù)加載。正式加載前，在搭建好的水箱中加入并放出水2次，每次加入跨中水深0.5m，對(duì)橋跨進(jìn)行預(yù)壓，消除非彈性變形。預(yù)壓后，非工作人員退場(chǎng)，待一切工作安排就緒，進(jìn)行第一次空載讀數(shù)。

試驗(yàn)程序。測(cè)試主梁的恒載（靜止）變形初讀數(shù)→測(cè)試跨控制截面布載試驗(yàn)→測(cè)試截面的應(yīng)變及變形測(cè)試。

荷載分4級(jí)加載，2次卸載。每次加載或卸載的持續(xù)時(shí)間取決于結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需時(shí)間。要求在前一荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定后，才能進(jìn)入下一個(gè)荷載階段。同一級(jí)荷載內(nèi)，結(jié)構(gòu)在最后5min內(nèi)的變位增量小于前一個(gè)5min內(nèi)變位增量的15%，或小于所用量測(cè)儀器的最小分辨值，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)變位達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

1.5 試驗(yàn)終止條件

在靜載試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)指揮人員應(yīng)及時(shí)掌握各方面情況，對(duì)加載進(jìn)行監(jiān)控。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生下列3種情況時(shí)，應(yīng)立刻停止加載并查找原因，在確保結(jié)構(gòu)和人員安全的情況下才能繼續(xù)試驗(yàn)。1）控制測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力已達(dá)到或超過(guò)計(jì)算的控制應(yīng)力值時(shí)。2）結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度或縫寬急劇增加，或新裂縫大量出現(xiàn)，或縫寬超過(guò)允許值的裂縫大量增多時(shí)。3）發(fā)生其他影響橋梁承載能力或正常使用的損壞時(shí)。

1.6 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.6.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

渡口景觀橋拱頂最大正彎矩應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。靜載試驗(yàn)中測(cè)試截面應(yīng)變曲線圖如圖2所示，應(yīng)變實(shí)測(cè)值與由設(shè)計(jì)規(guī)范算出的理論計(jì)算值對(duì)比如圖3所示。

通過(guò)靜載測(cè)試后，該橋的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校核系數(shù)均為0.58～0.83，相對(duì)殘余應(yīng)變最大為0.13，符合規(guī)定中≤0.2的要求。表明在各種工況和試驗(yàn)荷載的情況下，本橋控制斷面所有實(shí)測(cè)應(yīng)力值均小于理論設(shè)計(jì)上限值，強(qiáng)度滿足理論設(shè)計(jì)規(guī)范要求，所有試驗(yàn)結(jié)構(gòu)均超過(guò)理論設(shè)計(jì)的彈性工程要求。

1.6.2 靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)論

通過(guò)對(duì)該橋梁的靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得以下3個(gè)結(jié)論。1）在試驗(yàn)荷載作用下，各工況應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.58～0.83，＜1，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。2）在試驗(yàn)荷載作用下，最大殘余變位為0.13，均滿足規(guī)定中≤0.2的要求，表明在試驗(yàn)荷載的作用下構(gòu)件仍能維持彈性工作狀態(tài)。3）通過(guò)對(duì)該橋的實(shí)測(cè)撓度值與理論撓度值的橫向分布比較可知，實(shí)際橫向剛度和理論檢算基本吻合，表明該橋整體受力性能良好。

2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁構(gòu)造是多個(gè)因素的復(fù)雜體系，當(dāng)構(gòu)件的物理特征變化后（如開裂、尺寸改變和材料力學(xué)特性改變等），不僅靜力特征（形狀、應(yīng)力和開裂等）發(fā)生變化，同時(shí)動(dòng)力特征也有改變，該改變對(duì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)具有一定意義。通過(guò)動(dòng)力負(fù)荷測(cè)試和系統(tǒng)固有模態(tài)參數(shù)的實(shí)橋測(cè)試，可以掌握橋跨構(gòu)件的動(dòng)力特性及其各控制單元在使用負(fù)荷下的動(dòng)力特性[4]，可為大橋后期的運(yùn)行維護(hù)管理等工作提供必需的技術(shù)依據(jù)和資源。

2.1 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容和方法

本次動(dòng)載試驗(yàn)采用脈動(dòng)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)跨選取與靜載試驗(yàn)一致。脈動(dòng)試驗(yàn)采用高靈敏度的拾振器和放大器測(cè)量結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)，并進(jìn)行自譜分析，求解結(jié)構(gòu)自振特性[5]。在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)拾振器拾取的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行譜分析，可確定橋梁的自振頻率、振型等動(dòng)力性能參數(shù)。本次試驗(yàn)采用的信號(hào)分析測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖4所示。在脈動(dòng)試驗(yàn)中，采用豎向拾振器采集豎向振動(dòng)速度信號(hào)，脈動(dòng)試驗(yàn)拾振器布置在試驗(yàn)拱頂截面位置處。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 橋跨結(jié)構(gòu)振型計(jì)算

采用MidasCivil建立該人行橋有限元模型，計(jì)算橋跨結(jié)構(gòu)自振特性，其結(jié)果如圖5所示。該結(jié)果為有限元計(jì)算振型，為與脈動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果做比較。

采用脈動(dòng)激勵(lì)橋梁振動(dòng)，將計(jì)算所得結(jié)構(gòu)的自振頻率與有限元結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)構(gòu)自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

2.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)論

采用脈動(dòng)激勵(lì)橋梁振動(dòng)，通過(guò)計(jì)算可得結(jié)構(gòu)的自振頻率。在理論可識(shí)別的范圍內(nèi)，該景觀橋跨中豎向一階頻率分別為5.957Hz，高于理論計(jì)算值4.278Hz；跨中豎向二階頻率分別為6.543Hz，高于理論計(jì)算值5.741Hz；跨中豎向三階頻率分別為7.617Hz，高于理論計(jì)算值7.049Hz。以上結(jié)果表明所測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度。

3 結(jié)論

該橋梁動(dòng)、靜載試驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)整理分析表明，該橋工作性能良好，承載力也符合設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)可靠，使用期間可保障人民群眾安全。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，采用水箱等效加載，能夠靈活控制加載效率系數(shù)，過(guò)程方便且安全、環(huán)保。

通過(guò)橋梁動(dòng)、靜載試驗(yàn)，可檢測(cè)橋梁的工作狀態(tài)和使用性能，系統(tǒng)性評(píng)估其施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)質(zhì)量、承載能力和結(jié)構(gòu)剛度等，并可在橋梁后續(xù)使用中，為其運(yùn)營(yíng)管理提供數(shù)據(jù)支持與合理方案

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