常坑大橋荷載試驗研究與分析

楊興華 張 平

（1.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽110168；2.中國公路工程咨詢集團有限公司 北京中咨正達交通工程科技有限公司，中國 北京100029）

1 工程概況

常坑大橋是福建浦南高速公路的一座大型公路橋， 橋梁全長為646m。 主橋上部構(gòu)造為（58＋100＋58）m 三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，采用分離的上、下行獨立的兩座橋，單幅單箱單室截面，頂寬12m、底寬6.5m，兩側(cè)翼緣寬2.75m，箱梁高度跨中為2.5m，支點處箱梁中心梁高6.0m， 由距主墩中心3.0m 處往跨中方向46.0m 段按1.8 次拋物線變化。 箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系：縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用平、豎彎相結(jié)合的方式布置，兩端張拉；橫向預(yù)應(yīng)力鋼束布置于頂板，采用單向張拉；豎向預(yù)應(yīng)力精軋螺紋粗鋼筋以直線形式布置于腹板中，下端預(yù)埋，在箱梁頂面單向張拉。

通過荷載試驗，并對試驗記過綜合分析，對施工質(zhì)量和大橋的安全度做出可靠的評價。 為今后大橋的安全使用、養(yǎng)護等提供可靠的技術(shù)資料。

2 靜動力分析

2.1 靜力分析

為準確進行荷載試驗，試驗前先進行理論計算。 采用有限元軟件MIDAS Civil 程序進行了結(jié)構(gòu)靜力計算、 活載效應(yīng)計算及相應(yīng)的加載效率的計算，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，共劃分為109 個節(jié)點，100 個單元，節(jié)點劃分及結(jié)構(gòu)離散示意如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)離散圖

2.2 動力分析

采用有限元軟件MIDAS civil 進行空間結(jié)構(gòu)的建模與分析。 全橋主梁均采用C50 混凝土： 容重為γ=26kN/m3， 彈性模量為Eh=3.5×104Mpa。在進行上部結(jié)構(gòu)的建模時，計入橋面板的影響,分析計算成果如圖2 所示。

圖2 試驗跨二階振型圖（f2=2.3300898Hz）

3 靜動力試驗

3.1 靜載試驗

3.1.1 測試斷面及測點布置

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)受力特性，在以下特征截面布設(shè)測點進行荷載試驗，全面了解該橋的受力狀況。

（1）主梁根部斷面的應(yīng)力和應(yīng)變測試；

（2）L/4 跨截面的應(yīng)力、應(yīng)變及撓度測試；

（3）跨中斷面的應(yīng)力、應(yīng)變及撓度測試；

（4）墩頂截面的應(yīng)力、應(yīng)變及水平和豎向位移等。

圖3 應(yīng)變測點布置

3.1.2 試驗荷載的確定

為了保證試驗的有效性， 根據(jù)各測試截面的內(nèi)力與撓度影響線，按最不利位置加載，在保證各主要測試截面試驗荷載效率系數(shù)至少達到0.85 以上的條件下， 經(jīng)過計算確定， 本次靜載試驗用總重量為320kN 的載重車6 輛，具體數(shù)據(jù)見表1 所示：

表1 試驗用車型號尺寸及重量表

本次試驗的荷載效率如表2 所示。

表2 靜載試驗效率系數(shù)

由表2 可見， 各工況荷載的效應(yīng)均在理論荷載效應(yīng)的85%以上，符合《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規(guī)定，說明本次試驗方案滿足有效性要求。

3.1.3 試驗結(jié)果及分析

靜載試驗結(jié)果包括試驗工況下各測點應(yīng)變值和撓度值。

（1）主梁應(yīng)力測試比較

本次靜載試驗分別對墩頂截面、邊跨0.4L 截面、中跨跨中截面的測點進行了應(yīng)變測試，各測點的實測應(yīng)力值可按虎克定律，由實測應(yīng)變求得，即：σ=E·ε。 全橋主梁均采用C50 混凝土，彈性模量為E=3.5×104MPa。

表3 各截面實測應(yīng)力對比表

（2）主梁撓度測試比較

各個工況下相應(yīng)控制截面撓度計算值及相應(yīng)點處的實測值和校驗系數(shù)見表4，表中以上撓為負，下?lián)蠟檎?/p>

表4 各截面實測撓度對比表

根據(jù)規(guī)范要求，處于良好彈性工作狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的應(yīng)力校驗系數(shù)應(yīng)為0.6～0.9，撓度校驗系數(shù)應(yīng)為0.7～1.0。而實測該橋應(yīng)力校驗系數(shù)平均值為：邊跨0.4L 截面為0.75，墩頂截面截面為0.78，中跨跨中截面為0.76。 撓度校驗系數(shù)平均值為：邊跨0.4L 截面為0.80，中跨跨中截面為0.81。應(yīng)力、撓度校驗系數(shù)均小于規(guī)范要求，說明該橋橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下,處于彈性工作狀態(tài)，其剛度和承載能力能較好的滿足設(shè)計要求。

3.2 動載試驗

3.2.1 測試截面及測點布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點，為了有效地測得結(jié)構(gòu)的動力性能，將測點布置在一階模態(tài)振幅值最大的截面（跨中截面）。在測試截面的上緣安置加速度傳感器，以取得結(jié)構(gòu)動力振動頻率及阻尼比。

3.2.2 試驗工況

以跳車的激振形式，采集動力響應(yīng)信息。 具體操作過程如下：

在跨中位置設(shè)置一塊15cm 高的直三角木，讓一輛滿載重車快速行駛，越過三角木由直角邊落下。 此時橋跨結(jié)構(gòu)的振動是帶有一輛滿載重車附加質(zhì)量的衰減振動。數(shù)據(jù)處理時，附加質(zhì)量的影響予以修正。跳車的動力效應(yīng)與車速和三角木放置的位置有關(guān)。 本次試驗中進行3次并行跳車試驗，即做在跨中位置做3 次跳車試驗。

3.2.3 試驗結(jié)果與分析

動載試驗結(jié)果包括橋梁的時域信號記錄、自振頻率。 動態(tài)試驗結(jié)果與分析如下：

該橋?qū)崪y一階、二階頻率均大于理論計算值，說明該橋結(jié)構(gòu)剛度較大。

該橋的阻尼比較大，為0.035。說明該橋跨結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強，振動衰減較快。

綜上分析可知，該橋結(jié)構(gòu)剛度較大，耗散外部能量輸入的能力強，振動衰減較快，整體動力性能較好，滿足運營要求。

4 結(jié)論

根據(jù)大橋靜動載試驗及橋梁結(jié)構(gòu)分析，主要結(jié)論如下：

（1）橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下?lián)隙群蛻?yīng)變都正常，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段，但橋梁相對殘余應(yīng)變較大，考慮到橋梁有縱向裂縫的現(xiàn)象，損害了橋梁的整體剛度，因此，建議封閉裂縫，對裂縫進行加固。

（2） 在動載作用下，該橋的自振頻率、阻尼比等特征都正常，說明該橋整體剛度滿足要求，動力性能良好。

（3）通過本次試驗，依實測數(shù)據(jù)分析，說明試驗孔的施工質(zhì)量較好，符合設(shè)計要求，且具有一定的承載潛力。

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