某特大高墩連續(xù)剛構(gòu)橋荷載試驗(yàn)研究

萬 璐， 蒲黔輝, 嚴(yán) 猛

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

雖然我國大規(guī)模的土木基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期間不長，但由于發(fā)展速度過快以及設(shè)計(jì)規(guī)范的簡化、施工質(zhì)量的不可控等問題，帶來了許多結(jié)構(gòu)安全性、使用性和耐久性方面的隱患[1]。連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，對溫度作用和支座沉降效應(yīng)敏感，施工中常伴隨一定的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，且施工誤差、現(xiàn)場環(huán)境隨機(jī)因子這些造成結(jié)構(gòu)損傷的因素?zé)o法預(yù)知，對既有結(jié)構(gòu)的損傷程度也無法控制和計(jì)算[2]。因此，需通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測來確定既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及在設(shè)計(jì)荷載下結(jié)構(gòu)是否安全可靠[3]。

荷載試驗(yàn)為常用的橋梁現(xiàn)場檢測方法。根據(jù)施加到橋梁上的荷載類型不同，荷載試驗(yàn)又可分為靜力荷載試驗(yàn)、動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)、動(dòng)力特性試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)四類[4]。目前，國內(nèi)在橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)方面進(jìn)行了很多研究，但對超過90 m的高墩橋梁荷載試驗(yàn)的研究較少，本文采用前三種現(xiàn)場荷載試驗(yàn)方法，結(jié)合有限元理論分析，對墩高91 m的某特大橋進(jìn)行了運(yùn)營前靜、動(dòng)載試驗(yàn)，同時(shí)闡述了該橋荷載試驗(yàn)內(nèi)容、方法、流程，以供今后同類橋梁參考。

1 工程概況

主橋橋跨布置為：95 m+180 m+95 m，為一三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長370 m。橋梁平面位于直線上，橫坡單向?yàn)? %，最大縱坡為2.9 %。該橋主梁為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，底板寬度6.5 m,頂板寬度12.0 m；跨中合龍段以及邊跨支點(diǎn)處3.8 m等高梁段高4.5 m，主墩支點(diǎn)處16 m長等高梁段高11.0 m，其余梁高按1.8次拋物線規(guī)律變化。

2 靜載試驗(yàn)

該橋由兩幅構(gòu)成，本文僅針對(左幅)主橋力學(xué)性能進(jìn)行分析。為全面反映橋梁結(jié)構(gòu)(左幅)在正常使用荷載下的受力性能，選取中跨跨中、1/4截面、邊跨三分點(diǎn)處共9個(gè)試驗(yàn)截面，試驗(yàn)截面布置圖見圖1。

2.1 靜載試驗(yàn)工況

為了真實(shí)模擬橋梁運(yùn)營階段承受汽車荷載情況并檢驗(yàn)箱梁斷面的抗扭能力及整體性能，靜載試驗(yàn)選取中載工況和偏載工況，具體的7個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。通過有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行布載，最終將以上試驗(yàn)內(nèi)容合并為六個(gè)荷載工況，分別觀測各個(gè)控制截面的應(yīng)力、撓度以及是否出現(xiàn)異常情況。

圖1 主橋試驗(yàn)截面布置示意(單位:m)

2.2 靜載試驗(yàn)荷載

靜力荷載試驗(yàn)采用載重汽車進(jìn)行。對每一試驗(yàn)工況，所需車輛荷載的數(shù)量通過設(shè)計(jì)控制荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值等效換算而得。為保證試驗(yàn)效果，靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)應(yīng)滿足式(1)：

(1)

最終采用軸距為3.8 m+1.4 m的雙后軸載重貨車，加載單車重360 kN，加載布置圖見圖2、圖3。

圖2 工況三、四汽車荷載縱向布置(單位: mm)

(a)偏載車輛橫向輪位布置 (b)中載車輛橫向輪位布置圖3 橫向輪位布置(單位: mm)

由表1可知，試驗(yàn)跨中、偏載工況的荷載效率系數(shù)介于0.99～1.04之間，處于評(píng)定規(guī)程建議的0.95～1.05的范圍[4]。

2.3 靜力試驗(yàn)測點(diǎn)布置

由于該橋橋墩高達(dá)91 m,采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行各控制截面的撓度測試。撓度測點(diǎn)共布置17個(gè)，根據(jù)各控制截面變形的特點(diǎn)和大小，墩頂附近截面分別在左側(cè)布置1個(gè)測點(diǎn)，中跨1/4截面沿橫向各布置2個(gè)測點(diǎn)，中跨跨中和邊跨三分點(diǎn)截面分別沿橫向布置3個(gè)測點(diǎn)。應(yīng)力測點(diǎn)布置于各控制截面箱梁底面、腹板下部及翼板根部處，共35個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，各測點(diǎn)位置見圖4。

表1 靜力試驗(yàn)荷載工況及對應(yīng)荷載試驗(yàn)效率值

2.4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試方法、處理流程

采用混凝土應(yīng)變片測算結(jié)構(gòu)應(yīng)變/應(yīng)力，對環(huán)境溫度等因素的補(bǔ)償通過補(bǔ)償點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)變采集、梁體撓度測量、梁體及環(huán)境溫度測量分別通過靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、精密水準(zhǔn)儀、紅外溫度測試儀進(jìn)行。此外，為實(shí)現(xiàn)加載過程的實(shí)時(shí)控制，保證結(jié)構(gòu)安全，在試驗(yàn)過程中及時(shí)對應(yīng)力、撓度等實(shí)測控制數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理，并與試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行比較，以確保試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能[6]。

(a)箱梁撓度測試截面撓度測點(diǎn)

(b)箱梁應(yīng)力測試截面應(yīng)變測圖4 測點(diǎn)布置

3 動(dòng)力試驗(yàn)

動(dòng)力測試主要包括自振特性測試和行車激勵(lì)測試。其中采用脈動(dòng)法測試該橋的自振頻率、阻尼比和振型；通過行車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)進(jìn)行行車激勵(lì)測試，控制截面選擇中跨跨中截面(5#截面)。

行車試驗(yàn)分有障礙行車和無障礙行車兩種，無障礙行車試驗(yàn)是在橋面無任何障礙的情況下，分別沿各橋幅中心線同向、同速駛過1輛載重汽車，測定此過程中橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。跳車試驗(yàn)需在試驗(yàn)截面內(nèi)力影響線峰值對應(yīng)的橋面處設(shè)置一高7.5 cm、底寬30 cm的三角形斷面障礙物，以模擬橋面鋪裝可能出現(xiàn)的局部損傷，以測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面狀態(tài)不良時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 靜載試驗(yàn)

4.1.1 梁體撓度

經(jīng)過計(jì)算，各試驗(yàn)工況下梁體的撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.62～0.77之間，處于規(guī)范規(guī)定的合理范圍，卸載后梁體結(jié)構(gòu)最大殘余變形為7.3 %，低于規(guī)范要求值20 %[4]，表明試驗(yàn)的橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。由于篇幅有限，圖5、圖6僅列出了部分偏載工況下，梁體撓度實(shí)測值及與計(jì)算值的比較。

圖5 工況二下?lián)隙葘?shí)測值及與計(jì)算值的比較

圖6 工況六下?lián)隙葘?shí)測值及與計(jì)算值的比較注：面向昭通方向，左手邊為“左側(cè)”、右手邊為“右側(cè)”；豎向撓度向下為正。

4.1.2 梁體應(yīng)力

通過現(xiàn)場實(shí)測及有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/civil計(jì)算分別得到了偏載、中載工況下部分試驗(yàn)截面應(yīng)力實(shí)測值及與計(jì)算值，二者比較見圖7～圖10。通過計(jì)算得出各試驗(yàn)工況下截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.50～0.95之間，試驗(yàn)截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于規(guī)范規(guī)定的合理范圍[5]，卸載后梁體結(jié)構(gòu)最大殘余應(yīng)變?yōu)?4.3 %，低于規(guī)范要求值20 %[5]，表明試驗(yàn)的橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。同時(shí)結(jié)果顯示考慮偏載的情況下，各截面的實(shí)測應(yīng)力值均小于理論計(jì)算值，表明截面的抗扭、抗翹曲性能良好。

圖7 工況二(偏載)下1#截面應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值的比較

圖8 工況四(偏載)下2#截面應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值的比較

圖9 工況一(中載)下1#截面應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值的比較

圖10 工況一(中載)下2#截面應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值的比較 注：應(yīng)力受壓為負(fù)，受拉為正。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

4.2.1 自振特性測試

結(jié)構(gòu)自振頻率是結(jié)構(gòu)剛度的體現(xiàn)，過低的自振頻率表明橋梁的恢復(fù)周期變長，整體剛度下降，不利于結(jié)構(gòu)正常工作[6]。通過環(huán)境激勵(lì)法測得的橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測頻譜圖，再利用功率譜計(jì)算自振頻率對應(yīng)的阻尼比。該橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性見表2。從實(shí)測結(jié)果可以看出：橋梁的實(shí)測頻率略高于理論計(jì)算頻率，表明該橋的整體剛度較好，具有一定的抗沖擊能力，且實(shí)測阻尼比屬正常范圍，表明橋梁的動(dòng)力性能良好。

表2 橋跨結(jié)構(gòu)自振特性(橫豎前三階模態(tài))

橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測豎向和橫向前二階振型圖見圖11～圖14。實(shí)測結(jié)果表明橋跨結(jié)構(gòu)豎向和橫向振型符合連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性。

圖11 橋跨結(jié)構(gòu)豎向一階振型

圖12 橋跨結(jié)構(gòu)豎向二階振型

圖13 橋跨結(jié)構(gòu)橫向一階振型

圖14 橋跨結(jié)構(gòu)橫向二階振型

4.2.2 激振測試

根據(jù)剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn)，激振測試選在中跨跨中5#截面進(jìn)行。試驗(yàn)分為行車激振和跳車激振，在不同車速下的中跨跨中截面的行車、跳車沖擊系數(shù)曲線見圖15～圖16。

圖15 中跨跨中5#截面行車沖擊系數(shù)曲線

圖16 中跨跨中5#截面跳車沖擊系數(shù)曲

從圖15、圖16分析可以看出：(1)中跨跨中5#測試截面行車沖擊系數(shù)最大值在車速約30 km/h和40 km/h時(shí)取得，約為1.03，實(shí)測行車沖擊系數(shù)介于1.02～1.03之間；(2)中跨跨中5#截面跳車沖擊系數(shù)最大值在車速約10 km/h時(shí)取得，為1.24，實(shí)測跳車沖擊系數(shù)介于1.12～1.24之間，表明橋跨結(jié)構(gòu)的激振響應(yīng)正常；(3)在有障礙行車時(shí)，汽車以相較于無障礙行車更小的車速卻對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的沖擊作用，表明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)受力造成不利影響，應(yīng)重視橋面鋪裝的設(shè)計(jì)和維護(hù)。

5 結(jié)論

根據(jù)測試結(jié)果分析，橋跨結(jié)構(gòu)的撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.62～0.77之間，應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.50～0.95之間，均處于合理范圍，表明該橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度富余和強(qiáng)度儲(chǔ)備，滿足公路—I級(jí)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。同時(shí)應(yīng)力受中載偏載的影響較小，表明該箱梁結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭性能。橋梁的實(shí)測頻率略高于理論計(jì)算頻率，實(shí)測阻尼比屬正常范圍，橋跨結(jié)構(gòu)豎向和橫向振型符合連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性，表明橋梁的動(dòng)力性能良好。橋跨結(jié)構(gòu)測試截面實(shí)測行車沖擊系數(shù)介于1.02～1.03之間，跳車沖擊系數(shù)介于1.12～1.24之間，表明試驗(yàn)的橋跨結(jié)構(gòu)激振響應(yīng)正常。