斜交箱梁橋靜動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

姜基建　楊　婧　王文龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

斜交箱梁橋靜動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

姜基建楊婧王文龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要斜交箱梁橋是一種整體式結(jié)構(gòu)形式，受力特征與試驗(yàn)方法不同于正交結(jié)構(gòu)。文中針對(duì)某5跨連續(xù)斜交箱梁橋工程實(shí)例進(jìn)行靜動(dòng)力特性荷載試驗(yàn)研究，分析斜交箱梁橋在荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得出試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)試截面及車輛荷載的布置方式采用斜向布置具有一定的合理性。

關(guān)鍵詞斜交箱梁橋斜度靜動(dòng)力特性荷載試驗(yàn)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展及城市規(guī)模的逐步增大，原來(lái)的城市道路需要向城市四周進(jìn)行擴(kuò)展，需建立越來(lái)越多的互通立交橋、高速公路和高架橋，因此不可避免地需要更多的跨線橋梁。為了達(dá)到跨越障礙和線路的目的，斜交橋在公路建設(shè)中應(yīng)運(yùn)而生[1]。

斜交橋，也叫斜橋，區(qū)別于正橋，是指橋梁縱向軸線與支承邊(或支座連線)之間不相垂直的橋梁。斜交橋中最顯著的特征是其具有斜度。斜交橋按橋型分有斜板橋和斜梁橋。多片梁式是斜梁橋最常見(jiàn)的一種形式；另一種斜梁橋類型為斜交箱梁橋，它是一種整體式結(jié)構(gòu)形式，截面形式常見(jiàn)為單箱雙室和單箱多室型。斜交箱梁橋因其整體性好、傳力效果好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛運(yùn)用，現(xiàn)實(shí)中為了了解結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段使用性能，則需借助橋梁靜動(dòng)力特性測(cè)試手段，而斜交箱梁橋結(jié)構(gòu)受力與試驗(yàn)方法要比正交橋復(fù)雜許多，目前對(duì)于其系統(tǒng)的試驗(yàn)方法研究還不成熟，基于此原因，本文針對(duì)某一斜交箱梁橋開展靜動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究。

1工程背景

廣元回龍河大橋位于廣元市利州開發(fā)區(qū)王家營(yíng)，與新遷廣元市娃哈哈廠相鄰。該橋橋面布置為：2×4.0 m(人行道)+2×12.0 m(車行道)+4.0 m(分隔帶)+6.0 m(非機(jī)動(dòng)車道)=42 m，由3道(下游側(cè)A道、中間B道、上游側(cè)C道)相互獨(dú)立的5跨斜交連續(xù)梁組成。A道跨徑為27.8～32.0 m，梁體高度為1.60～1.84 m；B道跨徑為22.0～26.0 m，梁體高度為1.66～1.84 m；C道跨徑為16.8～20.4 m，梁體高度為1.45～1.66 m，3道斜交橋梁總長(zhǎng)為107.88～163.28 m。本文只選取B道進(jìn)行分析研究。橋面寬度為12 m，考慮3個(gè)車道荷載[2]。

該B道橋?yàn)樽冃倍冗B續(xù)梁橋，在各支承處斜度是不同的，自西向東斜度依次為45.525°，39.014°，38.525°，25.474°，0.583°和-11.667°。

設(shè)計(jì)荷載：汽超-20級(jí)；無(wú)人群荷載；驗(yàn)算荷載：掛-120級(jí)；梁體采用50號(hào)混凝土，橋墩采用30號(hào)混凝土，樁基采用25號(hào)混凝土。橋梁實(shí)景圖見(jiàn)圖1。

圖1　回龍河大橋?qū)嵕皥D

2梁結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

據(jù)測(cè)試荷載作用性質(zhì)的不同，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。

2.1靜載試驗(yàn)

所謂靜載試驗(yàn)，是用外荷載來(lái)模擬結(jié)構(gòu)受力大小，將靜止的荷載作用在橋梁結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)對(duì)其位移、應(yīng)變和裂縫等參量進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)及使用性能作出評(píng)價(jià)。靜載試驗(yàn)的加載過(guò)程是逐步、分級(jí)加載的，直到要求的荷載要求。加載過(guò)程中要進(jìn)行應(yīng)力、撓度和溫度測(cè)試。靜載試驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)控制，測(cè)試后期需要對(duì)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行處理和分析[3]。

2.2動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法激起斜橋結(jié)構(gòu)的震動(dòng)，然后測(cè)定其固有振動(dòng)特性，包括基頻、阻尼比、振型、沖擊系數(shù)等，從而判斷斜橋結(jié)構(gòu)在使用階段的動(dòng)力特性。在橋梁結(jié)構(gòu)中，常見(jiàn)的激振方式有橋梁在自然情況下的振動(dòng)、行車、剎車和跳車過(guò)程中的振動(dòng)。目前動(dòng)載試驗(yàn)主要是測(cè)量動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度和自振特性3個(gè)方面的內(nèi)容。

3斜交箱梁橋靜載試驗(yàn)

3.1靜載試驗(yàn)內(nèi)容

B道橋?yàn)?跨連續(xù)梁橋。為便于敘述，約定橋跨自西至東方向依次編號(hào)為第1跨～第5跨，橋墩依次編號(hào)為1,2,3,4號(hào)墩，選擇第1跨～第3跨進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.1試驗(yàn)內(nèi)容

(1) B道第1跨梁體最大彎矩截面(A-A)Mmax加載試驗(yàn)。

(2) B道第2跨1號(hào)墩附近梁體最大負(fù)彎矩截面(B-B)Mmin加載試驗(yàn)。

(3) B道第3跨梁體最大彎矩截面(C-C)Mmax加載試驗(yàn)。

3.1.2測(cè)試內(nèi)容

(1) 試驗(yàn)加載截面的應(yīng)力測(cè)試。

(2) 試驗(yàn)跨L/4，L/2，3L/4處及相鄰跨L/2的豎向撓度測(cè)試。

3.1.3加載試驗(yàn)

B道橋試驗(yàn)前期計(jì)算采用斜橋正算法[4]，所謂斜橋正算原則是考慮將斜交橋轉(zhuǎn)換成正交橋，將荷載轉(zhuǎn)換斜交角，按正交橋計(jì)算得出結(jié)果。計(jì)算出理論的試驗(yàn)內(nèi)力值，見(jiàn)表1。

表1　B道各工況計(jì)算內(nèi)力、試驗(yàn)內(nèi)力及

試驗(yàn)中采用縱向軸距為3.65 m+1.35 m、橫向軸距為1.8 m、單車總重400 kN的雙后軸載重貨車加載。荷載效率系數(shù)為0.95～1.03，處于評(píng)定規(guī)程建議的0.95～1.05合理范圍內(nèi)。

根據(jù)斜交橋梁整體內(nèi)力及變形特點(diǎn)，試驗(yàn)中測(cè)試斷面、撓度及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置均按與線路方向斜交的方式，具體傾斜程度依據(jù)結(jié)構(gòu)相鄰支點(diǎn)斜度而定。該橋測(cè)試截面、測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2～圖3。

圖2　試驗(yàn)截面及撓度縱向布置圖(單位：cm)

圖3　撓度、應(yīng)力測(cè)點(diǎn)橫向布置圖(單位：cm)

雙后軸車加載方式同樣采用斜向布置，A-C各工況具體加載方式見(jiàn)圖4～圖6。

圖4　A-A工況加載方式示意圖(單位：cm)

圖5　B-B工況加載方式示意圖(單位：cm)

3.2靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1撓度測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)跨撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.61～0.83之間。撓度校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明B道橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

表2　B道試驗(yàn)跨撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

3.2.2應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，各試驗(yàn)截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.61～0.78之間，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，表明B道橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

表3　B道試驗(yàn)截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較表

4斜交箱梁橋動(dòng)載試驗(yàn)

4.1動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容

4.1.1試驗(yàn)內(nèi)容

(1) 脈動(dòng)試驗(yàn)。測(cè)定振型、自振頻率、臨界阻尼比。

(2) 行車試驗(yàn)。測(cè)定橋面鋪裝層完好時(shí)A-A，C-C截面在行車速度為5，10，20，30，40，50，60 km/h汽車荷載下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)以及沖擊系數(shù)大小。

(3) 跳車試驗(yàn)。模擬在橋面鋪裝局部破損狀態(tài)下，A-A、C-C截面在行車速度為5，10，15，20，25，30 km/h汽車荷載下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)和沖擊系數(shù)大小。

4.1.2測(cè)點(diǎn)布置

A-A，C-C截面下緣各布置1個(gè)動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

4.2動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1自振特性測(cè)試結(jié)果及分析

據(jù)表4及圖7～圖9可以看出，實(shí)測(cè)阻尼比處于正常范圍內(nèi)；實(shí)測(cè)振型符合連續(xù)梁的受力行為。

表4　試驗(yàn)跨自振頻率實(shí)測(cè)值及阻尼比

圖7　B道橋跨結(jié)構(gòu)自振頻譜圖

圖8　B道橋跨結(jié)構(gòu)豎向振型圖

圖9　B道橋跨結(jié)構(gòu)橫向振型圖

4.2.2行車激振測(cè)試結(jié)果及分析

表5為截面行車沖擊系數(shù)。

表5　試驗(yàn)截面行車沖擊系數(shù)

由表5可見(jiàn)，B道A-A截面的行車沖擊系數(shù)介于1.04～1.24之間，在車速達(dá)到30 km/h時(shí)，行車沖擊系數(shù)達(dá)到最大值；B道C-C截面的行車沖擊系數(shù)介于1.06～1.25之間，在車速達(dá)到60 km/h時(shí)，行車沖擊系數(shù)達(dá)到最大值。行車沖擊系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)。

4.2.3跳車激振測(cè)試結(jié)果及分析

表6為試驗(yàn)截面跳車沖擊系數(shù)。由表6可見(jiàn)，B道A-A截面的跳車沖擊系數(shù)介于1.26～1.48之間，在車速達(dá)到15 km/h時(shí)，跳車沖擊系數(shù)達(dá)到最大值；B道C-C截面的跳車沖擊系數(shù)介于1.29～1.57之間，在車速達(dá)到15 km/h時(shí)，跳車沖擊系數(shù)達(dá)到最大值。跳車沖擊系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)。

收稿日期：2014-09-10

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.001