某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的荷載試驗

杜騰達，王 芳

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

橋梁在現(xiàn)代交通中發(fā)揮著重要作用、占有著重要地位。其中，連續(xù)剛構(gòu)橋梁能克服惡劣的地理環(huán)境，被廣泛地應(yīng)用于各個地區(qū)[1]。但隨著橋梁的發(fā)展，橋梁施工難度不斷提高，普通連續(xù)剛構(gòu)橋難以適應(yīng)復(fù)雜狀況，而特大連續(xù)剛構(gòu)橋梁在施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全等方面易出現(xiàn)安全隱患[2]。為了確保特大橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全，需要對已建的特大橋梁結(jié)構(gòu)進行評估[3-4]。荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗，可分別測試出靜載工況下各控制截面的應(yīng)力狀態(tài)和整體撓度情況、動載工況下橋梁的行車響應(yīng)和自振頻率[5-6]，以確定橋梁整體受力性能和工作狀態(tài)是否符合使用的要求，為后續(xù)橋梁的發(fā)展提供準確的試驗數(shù)據(jù)[7]。本文章以某新建跨江特大橋為研究對象，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)對其進行動靜載試驗，以評價該橋在試驗荷載作用下的狀況，為相似橋梁的建設(shè)和維護提供參考。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

某省高速公路特大橋梁的跨徑為(30×2)+95+180+95+(6×30) m的剛構(gòu)橋梁，全長610 m，主梁為分幅式單箱單室截面，大橋面寬為0.5 m(欄桿)+11.25 m(行車道)+0.5 m(欄桿)=12.25 m，底板寬度為6.5 m，梁高為3.6～9.5 m，下部結(jié)構(gòu)為雙墩式圓柱墩，樁基礎(chǔ)，主橋部分為(95+180+95)m連續(xù)剛構(gòu)，最大橋高50 m。設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，設(shè)計車速為80 km/h。主橋布置圖如圖1所示。

圖1 主橋布置圖

1.2 有限元模型

根據(jù)設(shè)計圖紙、監(jiān)測資料和相關(guān)規(guī)范，通過 Midas/Civil 分析軟件對新建的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁進行有限元分析[8]。本橋模型共有170個節(jié)點、160個單元。橋梁邊界條件：在邊跨位置采用活動支座，對X和Y方向的平動和轉(zhuǎn)動約束進行釋放，將Z方向的平動進行約束，而Z方向的轉(zhuǎn)動釋放。在橋墩的底部采用固定支座進行固結(jié)，約束節(jié)點的平動和轉(zhuǎn)動。主梁和橋墩之間進行剛性連接，各方向的平動和轉(zhuǎn)動進行約束。具體的模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

2 靜載試驗及其分析

2.1 靜載試驗原理與方法

靜載試驗指將荷載作用在指定的橋跨和截面，通過設(shè)計的試驗方案，對橋梁的應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)進行測量，以荷載效率和校驗系數(shù)對橋梁的工作性能和承載能力進行判斷。根據(jù)軟件計算結(jié)果，在對應(yīng)截面的最不利內(nèi)力位置布置荷載，同時根據(jù)荷載效應(yīng)等效原則和相關(guān)規(guī)范規(guī)程，使試驗荷載效率滿足0.95≤ηq≤1.05。

2.2 測試截面的選擇

根據(jù)混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋形式和受力特點，通過Civil模擬計算，按照《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01—2014)和橋梁設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，確定施加的理論荷載，得到橋梁結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖如圖2所示，最小位移等值線圖如圖3所示，進而確定加載工況。靜載試驗加載工況見表2。由圖2可確定3個主要控制截面，即14#～15#跨最大正彎矩，15#墩頂處最大負彎矩，15#～16#跨最大正彎矩，分別對應(yīng)圖1中的 K1，K2，K3 三個截面。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)的最小位移等值線圖

表2 靜載試驗加載工況

2.3 試驗荷載及其布置

采用三軸加載汽車加載。在有限元分析軟件中，將車輛轉(zhuǎn)化為集中荷載。試驗開始前，確保每一輛車符合試驗加載要求，誤差在5%范圍，以保證在靜載試驗中各車輛參數(shù)沒有明顯變化。46 t汽車相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 46 t汽車相關(guān)參數(shù)

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)形式，確定靜載試驗中現(xiàn)場橋梁各測量點位置，在14#至17#跨中最大負彎矩和最大正彎矩處布置應(yīng)變和撓度測量點。采用無線靜態(tài)應(yīng)變采集器DH3819測試應(yīng)變，每個截面布置6個應(yīng)變片(N1～N6)，采用DINI電子水準儀測試撓度，沿橋面橫向左右中分別布置3個(S1～S3)。測量點布置圖如圖4所示。

各控制截面(如圖1所示)由內(nèi)力包絡(luò)圖所定，通過 Civil 模擬計算，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)[9]得出檢測截面影響線(圖5～圖7)，進而確定荷載加載位置，使得各截面的加載效率為0.85～1.05。

(a) k1、k3截面示意圖 (b) k2截面示意圖

圖5 K1-K1 內(nèi)力影響線圖

圖6 K2-K2內(nèi)力影響線圖

圖7 K3-K3內(nèi)力影響線圖

確定現(xiàn)場加載車輛方式：K1-K1截面達到加載效率需要 6輛46 t加載車沿14#～15#跨最大彎矩處布置，兩級逐級加載，分為4輛+6輛兩排車以4 m間距布置；K2-K2截面8輛46 t加載車，分兩排三級逐級加載，分為4輛+6輛+8輛每排間距為4 m；K3-K3截面6輛46 t加載車，兩級逐級加載，分為4輛+6輛分兩排以4 m間距布置。

2.4 試驗荷載效率結(jié)果及分析

根據(jù)影響線確定6種具體試驗工況，得出各工況下的截面彎矩，將有限元計算得到的理論值與試驗得到的實際值進行數(shù)據(jù)對比分析，得出試驗荷載效率。控制截面彎矩及試驗荷載效率見表4，由表4知試驗荷載效率在1.03～0.96范圍內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范0.95≤ηq≤1.05的要求。

表4 控制截面彎矩及試驗荷載效率

2.5 應(yīng)變測試結(jié)果及分析

選取各工況下截面，經(jīng)現(xiàn)場實際測試，獲取試驗數(shù)據(jù)，準確得出相對應(yīng)的應(yīng)變值，計算出殘余變形和應(yīng)變校驗系數(shù)η。各截面的應(yīng)變分析結(jié)果見表 5。

表5 各截面的應(yīng)變分析結(jié)果

由表5可知，14#～15#和15#～16#橋跨所對應(yīng)的測試截面K1-K1,K2-K2,K3-K3，在荷載工況作用下，應(yīng)變理論值大于實測值。各工況作用下，應(yīng)變驗系數(shù)均在0.61～0.82內(nèi)，相對殘余應(yīng)變均在0～12.4%內(nèi)，相對殘余應(yīng)變均小于20%，各項測試結(jié)果規(guī)律正常。

2.6 撓度測試結(jié)果及分析

選取14#～15#和15#～16#橋跨所對應(yīng)的加載工況1，2，5，6，經(jīng)現(xiàn)場實際測試，獲取試驗數(shù)據(jù)，將實測值與計算值對比，計算得出撓度校驗系數(shù)η。截面撓度數(shù)據(jù)見表6。由表6可知，在14#～15#和15#～16#橋跨所對應(yīng)的加載工況1，2，5，6，撓度校驗系數(shù)和相對殘余變形分別為1.6%～8.6%和0.57～0.75，相對殘余變形均小于20%，均小于對應(yīng)的理論值，表明所測剛度滿足要求。

表6 截面撓度數(shù)據(jù)

2.7 裂縫測試結(jié)果及分析

試驗前對14#～17#跨進行裂縫檢查，各截面結(jié)構(gòu)良好，沒有裂縫，橋梁狀況良好。靜載試驗后，各截面也沒有開裂情況存在。

3 動載試驗及其分析

3.1 動載試驗原理與方法

動載試驗是分析橋梁的動力特性參數(shù)在動荷載試驗下的變化規(guī)律，包括阻尼比、頻率、振型、沖擊系數(shù)，得出橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，判斷是否滿足承載能力需求，最終將實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進行對比[10]。試驗主要分為自振特性試驗和行車激振試驗，行車激振試驗測試點布置在15#～16#的K3-K3截面(跨中)，采用DH3817動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，測得動應(yīng)變時程曲線，對所得數(shù)據(jù)進行分析，得出活載沖擊系數(shù)。動載試驗工況見表7。

表7 動載試驗工況

自振特性試驗常用脈動法。在14#～15#跨支點附近設(shè)置固定測點，14#～15#跨L/4截面處設(shè)置移動測點，15#～16#跨和16～17#跨L/4截面處設(shè)置固定測點，14#～17#跨L/2截面處和3L/4截面處均設(shè)置移動測點，通過DASP采集分析系統(tǒng)，得到振型相關(guān)參數(shù)。

3.2 動力響應(yīng)測試結(jié)果及分析

在15#～16#橋跨進行行車激振試驗，得到時程曲線，分析相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，得出實際沖擊系數(shù)。各工況下實際沖擊系數(shù)見表8。由表8可知，無障礙行車工況下沖擊系數(shù)為0.10～0.13，工況1的值最大為0.13；有障礙行車工況下沖擊系數(shù)為0.17～0.24，工況4的值最大為0.24，沖擊系數(shù)相對較小，橋面平整度滿足設(shè)計要求。

表8 各工況下實際沖擊系數(shù)

3.3 自振特性測試結(jié)果及分析

經(jīng)現(xiàn)場實際測試，獲取試驗數(shù)據(jù)，得出橋梁的振動頻率和阻尼比。實測自振特性見表9，橫向一階振型與對應(yīng)的一到三階豎向振型如圖8所示。由表 9和圖 8 可知，各振型實測值大于理論值，豎向剛度大于橫向剛度，說明橋梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度較好。且實測阻尼比屬正常范圍，橋梁耗能能力良好。

表9 實測自振特性

(a) 橫向一階振型

(b) 豎向一階振型

(c) 豎向二階振型

(d) 豎向三階振型

4 結(jié)論

1)在靜載試驗中，荷載效率為0.96～1.03，符合規(guī)范要求，各測量點應(yīng)力值與撓度值均小于理論計算值，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.61～0.81，撓度校驗系數(shù)為0.57～0.75，表明該橋梁的彈性性能滿足要求；最大殘余應(yīng)變?yōu)?2.4%，最大殘余變形8.6%，滿足規(guī)范小于20%的要求，表明橋梁結(jié)構(gòu)強度和承載能力滿足設(shè)計要求。

2)在動載試驗中，實測橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比小于理論阻尼比，表明橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的阻尼比，能顯著減少結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)；橋梁結(jié)構(gòu)在無障礙行車的沖擊系數(shù)為0.10～0.14，有障礙行車的沖擊系數(shù)為0.17～0.24，說明可以滿足行車舒適需求；頻率實測值大于理論值頻率，橋梁剛度滿足要求；豎向振動頻率大于橫向振動頻率，橋梁難以出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)剛度符合規(guī)范要求。

3)該橋承載能力及工作狀況符合設(shè)計要求，且施工質(zhì)量良好，橋梁可以交付使用。