塔山運河大橋靜動載試驗研究

王鵬 吳長林 張平

塔山運河大橋建于1984年,位于徐州市賈汪區(qū)塔山鄉(xiāng)境內(nèi),跨越京杭大運河。為了確定其技術(shù)狀況,受徐州市賈汪區(qū)水利局委托,揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院工程測試中心按公路—Ⅱ級荷載標準[1,2]對該橋進行了靜載和動載試驗。

1 塔山運河大橋設(shè)計概況

塔山運河大橋設(shè)計荷載:汽—20,掛—100;橋面寬度:(6.5+2×0.5)m;跨徑:3×50 m;矢跨比:f0/L0=1/10。上部構(gòu)造采用鋼筋混凝土剛架拱,橫橋向由3榀剛架拱片組成。下部結(jié)構(gòu)采用漿砌塊石重力式橋臺和混凝土重力式橋墩。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋的受力特點是:恒載基本由剛架拱片承擔(dān),汽車作用則由剛架拱片與橋面板形成的組合結(jié)構(gòu)體系共同承擔(dān)[3]。

2 靜載試驗

2.1 加載車輛

本次試驗的主要目的是檢驗結(jié)構(gòu)承載力是否符合設(shè)計要求,故采用基本荷載加載。試驗荷載選用2輛載重汽車,荷載效率系數(shù)η=0.92～1.09,即試驗荷載產(chǎn)生的效應(yīng)與公路—Ⅱ級荷載效應(yīng)接近(試驗車輛的軸距及其質(zhì)量表略)。

2.2 加載位置

剛架拱橋的實腹段拱頂截面(A—A)、四分點截面(B—B)、中弦桿(C—C)、邊弦桿(D—D)、斜撐(E—E)及主拱腿(F—F)系控制截面或桿件[3]。試驗車輛分別于上述截面或桿件內(nèi)力影響線的最不利位置上加載。縱向按兩種加載位置布置車輛,即將試驗車之重軸(中軸)分別布置于 A—A,B—B截面處,四分點截面、中弦桿、邊弦桿、斜撐及主拱腿加載位置布置見圖1(拱頂截面加載位置布置圖略);橫向按兩輛車偏心布載。

2.3 測點布置

試驗拱片為各跨的北邊拱片。對各跨試驗拱片的控制截面或桿件粘貼應(yīng)變片,對試驗拱片的拱頂截面布置撓度測點,對全橋墩臺布置水平位移和沉降測點。應(yīng)變、撓度及橋臺位移測點布置見圖2。

2.4 測試程序

每跨每一控制截面或桿件分兩級加載,每跨2個加載截面共4個工況,全橋3跨6個加載截面共12個工況,西邊跨試驗加載工況見表1(中跨、東邊跨試驗加載工況表略)。

表1 試驗加載工況表

2.5 測試結(jié)果與計算分析

2.5.1 撓度

撓度平均校驗系數(shù):η=0.77＜1.0,撓度實測值小于計算值;圖3為剛架拱片拱頂截面撓度實測值與計算值關(guān)系圖,由圖3可見,計算值與實測值接近于線性關(guān)系。上述分析結(jié)果表明,剛架拱片處于非完全彈性工作狀態(tài)[6,7]。

2.5.2 應(yīng)變

應(yīng)變平均校驗系數(shù):η=0.82＜1.0,相對殘余平均應(yīng)變:Sp′=16.2%＜20.0%。由于實腹段、斜撐及主拱腿部分應(yīng)變校驗系數(shù)η＞1.0,相對殘余平均應(yīng)變 Sp′＞20.0%,因此,剛架拱片處于非完全彈性工作狀態(tài)[6]。

2.5.3 裂縫

工況1～工況 12時,剛架拱片均未見裂縫。

2.5.4 墩臺水平位移與沉降

工況2,6,10時,全橋墩臺最大沉降值:1.0 mm;工況4,12時,兩邊跨墩臺最大水平位移:3.0 mm;工況 8時,中跨兩墩最大水平位移:5.0 mm。卸載后墩臺的水平位移和沉降基本能夠恢復(fù)。試驗結(jié)果表明墩臺基本處于彈性工作狀態(tài)。

3 動載試驗

3.1 測試儀器與系統(tǒng)組成

本次檢測采用混凝土應(yīng)變計、YD-28A型動態(tài)電阻應(yīng)變儀、A/D、振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)(CRAS 6.1)組成橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng);橋梁結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)采用G-LinkTM無線加速度傳感器系統(tǒng)(美國MicroStain Inc)。

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 沖擊系數(shù)

采用一輛載重汽車以一定的速度(15 km/h～25 km/h)行駛通過橋面,根據(jù)動態(tài)應(yīng)變儀檢測的西跨北邊拱拱頂截面和中跨北邊拱拱頂截面上緣應(yīng)變時程曲線進行分析計算,可得到該橋?qū)嶋H的沖擊系數(shù)。表2列出了中跨不同速度下的沖擊系數(shù)實測值與計算值[2](1+μ=1.05)的比值。

表2 沖擊系數(shù)實測值和計算值比較表

沖擊系數(shù)1+μ實測值/計算值=1.04～1.39＞1.0,其主要原因是各跨拱頂處下?lián)鲜箻蛎尕Q曲線不平順及橋面凹凸不平等,車輛在該部位引起撞擊所致。當試驗車輛以一定的速度行駛通過橋面時,橋梁上下波動明顯,使橋上行人驚慌,結(jié)構(gòu)剛度不足以滿足多數(shù)人能接受的感覺要求。由表2還可知,沖擊系數(shù)具有隨車速增大而增大的趨勢。

3.2.2 自振頻率

該橋一階自振頻率為1.904 3 Hz,說明該橋整體剛度偏低,使行人有較強振感,但汽車對橋梁的激振頻率為 2.5 Hz～3.5 Hz,因此不會由于汽車行駛而產(chǎn)生共振。

3.2.3 阻尼特性

一般鋼筋混凝土橋梁的阻尼比在0.014～0.36之間,該橋阻尼比為0.047 5,在正常值范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1)本橋靜載試驗荷載效率系數(shù) η=0.92～1.09,試驗結(jié)果表明上部承重結(jié)構(gòu)——剛架拱橋處于非完全彈性工作狀態(tài),不具備一定的安全儲備能力[6]。2)動載試驗測得汽車荷載效應(yīng)實際值大于其計算值,即該橋?qū)嶋H承載力低于其設(shè)計承載力;結(jié)構(gòu)剛度亦不足以滿足多數(shù)人能接受的感覺要求。3)本橋墩臺結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。4)綜合上述分析結(jié)果,該橋上部結(jié)構(gòu)不能滿足公路—Ⅱ級汽車荷載標準的承載力要求。

[1] JTG B01-2003,公路工程技術(shù)標準[S].

[2] JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3] 潘炳甫.農(nóng)橋[M].北京:水利電力出版社,1989.

[4] 公路舊橋承載力鑒定方法(試行)[M].北京:人民交通出版社,1988.

[5] 顧安邦,孫國柱.公路橋涵設(shè)計手冊[M].北京:人民交通出版社,1994.

[6] 胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[7] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[8] CECS 02,超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程[S].