基于橋梁試驗的結(jié)構(gòu)承載能力評估研究

陳海金， 靳幫虎， 羅家峰

(武漢華夏理工學院 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430223)

0 引 言

橋梁病害的產(chǎn)生往往導致結(jié)構(gòu)承載能力下降，例如2011年7月武夷山公館大橋吊桿錨固端脫落導致的橋梁倒塌，2019年10月江蘇無錫高架橋因超載導致橋梁傾覆。近年來，我國的工程技術(shù)人員在積極開展橋梁承載力評估的研究，如黃先斌等[1]對強震下橋梁承載能力的研究，梁玉釗等[2]建立了基于恒載、活載和結(jié)構(gòu)抗力的中小跨徑橋梁承載力評價指標體系，這些工作逐步積累，成了我們當前橋梁檢測領(lǐng)域的寶貴經(jīng)驗。公路橋梁界現(xiàn)已完善了多部規(guī)范[3-6]，它們成為橋梁檢測工程的參照標準。在橋梁檢測行業(yè)中，一般是運營測試手段，對橋梁結(jié)構(gòu)的整體或主要部件進行檢測，了解橋梁結(jié)構(gòu)及其部件的工作狀態(tài)和承載能力，以驗證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論，檢驗施工質(zhì)量和發(fā)現(xiàn)運用中存在的問題等。對于連續(xù)梁橋的檢測，利用荷載試驗測試的內(nèi)容包括內(nèi)力測試、各種應(yīng)力、撓度、變形、位移、支撐反力等。本文運用有限元軟件MIDAS模擬靜載試驗，得到了橋梁撓度與應(yīng)變的理論值，同時對橋梁進行現(xiàn)場荷載試驗，得到橋梁撓度與應(yīng)變的實際值，通過理論值與實際值計算出橋梁校驗系數(shù)，由此判斷橋梁的工作狀態(tài)。動載試驗用于了解橋梁的動力特性和抵抗受迫振動與偶然荷載的能力，其測試內(nèi)容包括橋梁結(jié)構(gòu)自身的自振頻率、振型和沖擊系數(shù)等。通過對比分析計算與試驗結(jié)果，檢查橋梁當前的狀態(tài)及其承載能力，以確保橋梁的使用安全。

1 工程概況

本項目為宜昌市花溪路等高度連續(xù)箱梁橋，銜接柏臨河路與漢宜高速鐵路。橋梁寬度為13.0 m。橋面鋪裝為瀝青混凝土，鋼管混凝土欄桿。上部結(jié)構(gòu)為4跨等高度連續(xù)箱梁，跨徑組合為4×25 m。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土墩柱及承臺樁基礎(chǔ)，支座形式為盆式支座。該橋設(shè)計荷載為城—A級，單幅3車道。橋梁結(jié)構(gòu)剖面、平面、立面基本尺寸如圖1～圖3所示。

圖1 橋梁橫斷面圖(單位：cm)

圖2 橋梁平面布置圖(單位：m)

圖3 橋梁縱斷面圖(單位：m)

2 有限元建模分析

計算采用有限元軟件MIDAS Civil建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，添加邊界條件，最后將實際荷載等效作用于橋梁模型上，對橋梁進行計算分析。計算模型及分析如圖4～圖5所示。

圖4 橋梁模型圖

圖5 設(shè)計荷載下最大正彎矩包絡(luò)圖

圖6 設(shè)計荷載下最大負彎矩包絡(luò)圖

通過MIDAS Civil進行模態(tài)分析，該橋的一二階振型如圖7、圖8所示。

圖7 第一階振型圖

圖8 第二階振型圖

由圖7、圖8可知，橋梁在靜載試驗下最正彎矩理論值為5 630 MPa，出現(xiàn)在邊跨跨中位置；最大負彎矩理論值為3 862 MPa，出現(xiàn)在邊跨支點位置。橋梁在動載試驗中前兩階振型的頻率為4.52和5.17。

3 靜載試驗

3.1 荷載工況

為了滿足橋梁承載能力鑒定的要求，應(yīng)選擇反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)的荷載試驗工況。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》要求，本次靜載試驗共設(shè)置6個試驗工況，見表1。

表1 試驗工況表

測試截面如圖9所示。

圖9 測試截面布置圖

測點的布置需要遵循必要、適量、方便觀測的基本原則。本橋型屬于連續(xù)梁橋，連續(xù)梁橋的測點布置應(yīng)是：跨中撓度、支點沉降、支點截面應(yīng)變。應(yīng)變測點如圖10、圖11所示，撓度測點如圖12～圖14所示。

圖10 截面A/C 應(yīng)變測點布置圖(單位：m)

圖11 截面B/D 應(yīng)變測點布置圖(單位：m)

圖12 橋面撓度測點立面布置(單位：m)

圖13 橋面撓度測點橫截面布置(單位：m)

圖14 橋面撓度測點平面布置(單位：m)

3.2 加載方式

靜載試驗采用的加載方式為加載車加載。加載車采用三軸車，三軸車軸距、軸重如圖15所示。由于加載車較重，試驗時應(yīng)逐級加載，并在每一級加載后觀測數(shù)據(jù)及橋梁狀況，未發(fā)現(xiàn)異常時方可繼續(xù)加載。

圖15 試驗加載車型圖(單位：cm)

3.3 試驗結(jié)果

靜力試驗荷載效率表示為：

式中：Ss為靜載作用下，某一荷載工況所對應(yīng)的加載控制截面的內(nèi)力最大計算效應(yīng)值或位移最大計算效應(yīng)值；Sg為荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值；ηq為靜載試驗荷載效率，對應(yīng)交工驗收應(yīng)介于0.85～1.05。

圖16中，工況一至工況六均達到靜載試驗荷載效率0.85<ηq<1.05，因此六種工況的靜載試驗加載效率系數(shù)均滿足要求。

圖16 六種工況的校驗系數(shù)表

各工況測量內(nèi)容見表2。

表2 各工況測量內(nèi)容表

對靜載試驗進行結(jié)果校驗，試驗荷載作用下測點的應(yīng)變實測值與應(yīng)變計算值的比值稱為校驗系數(shù)：

當ξ<1時，代表橋梁的實際狀況要好于理論狀況；反之則說明結(jié)構(gòu)工作性能較差，應(yīng)根據(jù)實際情況降級使用，限速限載并進行加固或改建。

在最大試驗荷載作用下，最大應(yīng)變及撓度的校驗系數(shù)如圖17所示。

圖17 最大應(yīng)變及撓度的校驗系數(shù)

通過圖17可知，A截面、B截面、C截面、D截面在最大試驗荷載作用下，最大應(yīng)變及撓度的校驗系數(shù)均小于1，同時各工況下的殘余變形及殘余應(yīng)變也小于0.2。橋梁的實際狀況要好于理論狀況。

4 動載試驗

動載試驗的試驗內(nèi)容主要包括試驗荷載以不同速度通過試驗橋梁進行動應(yīng)變、動位移、豎向和橫向振動的測定，以了解結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)、振動特征(振幅、頻率、模態(tài)振型、阻尼比)等，據(jù)以判斷結(jié)構(gòu)在動載作用下的工作狀態(tài)。

4.1 自振頻率

實際測得橋梁一階自振頻率為5.86 Hz，大于理論值4.52 Hz，表明橋梁整體剛度大于理論計算值。采集到的振動信號曲線如圖18～圖19所示。

圖18 重車勻速通過測試梁橋時的典型時域

圖19 重車勻速通過測試梁橋時的頻遇曲線

4.2 阻尼比

平均對數(shù)衰減率計算和阻尼比計算公式為：

經(jīng)檢測和計算，本橋梁的平均對數(shù)衰減率為0.183，本橋的阻尼比為0.028。

4.3 沖擊系數(shù)

采用加載車分別以30 km/h、40 km/h、50 km/h勻速通過待檢測孔跨，利用動應(yīng)變傳感器測出跑車對橋梁造成的影響，進而通過分析得出沖擊系數(shù)。不同速度跑車振動信號曲線如圖20～圖22所示。

圖20 30 km/h跑車振動信號曲線圖

圖21 40 km/h跑車振動信號曲線圖

圖22 50 km/h跑車振動信號曲線圖

沖擊系數(shù)計算公式為：

計算可得各行車速度下橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)值，見表3。

表3 沖擊系數(shù)測定值

上述測得的沖擊系數(shù)數(shù)值在允許范圍內(nèi)，說明此連續(xù)箱梁橋橋面平整度較好，橋面狀況較好。

5 結(jié) 論

本文對于橋梁靜載試驗和動載試驗具體結(jié)果如下。

5.1 靜載試驗結(jié)果

(1) 線性關(guān)系：所測橋跨結(jié)構(gòu) 的應(yīng)力值與荷載呈現(xiàn)出比較好的線性關(guān)系，在卸載后橋跨殘余應(yīng)力小于規(guī)定值，表明橋跨上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

(2) 校驗系數(shù)：各工況應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求。

(3) 殘余撓度與殘余應(yīng)變：各工況主要測點相對殘余應(yīng)變比小于0.20，橋梁彈性狀態(tài)良好，滿足規(guī)范要求。

靜載試驗結(jié)果表明，目前宜昌市花溪路(柏臨河路-漢宜路)市政工程右幅三聯(lián)4×25 m等高度連續(xù)箱梁橋試驗跨可滿足城—A級荷載的正常使用要求。

5.2 動載試驗結(jié)果

(1) 自振頻率：通過橋梁動載試驗，得到橋梁實測基頻為5.86 Hz，大于理論值4.52 Hz，表明結(jié)構(gòu)實測剛度滿足需求。

(2) 沖擊系數(shù)：30 km/h、40 km/h、50 km/h的行車荷載試驗沖擊系數(shù)實測值為1.21～1.25，均在允許范圍內(nèi)，表明橋梁橋面狀況良好。

動載試驗結(jié)果表明，目前宜昌市花溪路(柏臨河路—漢宜路)市政工程右幅3聯(lián)4×25 m等高度連續(xù)箱梁橋的整體剛度滿足規(guī)范要求，試驗跨動力性能滿足要求。