義烏賓王大橋靜動力性能試驗研究分析*

祁志偉，方淑君，王 捷，常嬋子，周智輝

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075)

1 工程概況

賓王大橋地處義烏市新區(qū)中心，是浙江義烏新區(qū)通往東陽江東岸規(guī)劃開發(fā)中的新區(qū)的紐帶，賓王大橋不僅要承擔(dān)義烏火車站經(jīng)賓王大道到東陽江東岸新區(qū)的主要過江車輛人群交通，同時，賓王大橋在建筑造型上要與蓬勃發(fā)展中的義烏新區(qū)建筑相協(xié)調(diào)，成為新義烏市區(qū)的建筑景觀。主橋采用三跨55.25 m+80 m+52.25 m下承式鋼管混凝土系桿拱，中跨矢跨比 f/l=5.0，矢高 f=15.6 m，邊跨矢跨比f/l=4.5，矢高f=11.866 7 m。主橋拱肋鋼管采用圓端形，厚度為d=16 mm的鋼板彎成二個直徑為1 400 mm的圓及1 400 mm直段，焊成1 400 mm的拱肋斷面。鋼管拱內(nèi)用周圍鋼板(d=10 mm)及鋼筋加勁，加勁肋間距900 mm。拱肋內(nèi)灌注微膨脹混凝土。加勁縱梁采用大懸臂梯形單箱多室等截面箱梁與拱圈構(gòu)成剛梁柔拱體系，縱向預(yù)應(yīng)力采用φj15－9高強低松弛鉸線，采用OVM錨具錨固;橫梁中采用與縱向相同的預(yù)應(yīng)力索。主橋橫向采用φj15－3扁索及相應(yīng)的OVM扁錨具錨固。每根吊桿采用1根φj15－9鋼鉸線單向張拉，考慮沖擊影響，按荷載組合最大內(nèi)力進行計算。橋面為適應(yīng)后期內(nèi)力需要，采用C30混凝土。賓王大橋全橋共有4個3.5 m寬度的機動車道，2個5.0 m寬度的非機動車道，2個2.5 m的人行道，中間設(shè)置的中央分隔帶橋面寬度為(2.5+5+7+3.2+7+5+2.5 m)=32.2 m(欄桿寬2×0.25 m未包括在內(nèi))。中分隔帶兩側(cè)范圍設(shè)置防撞護欄。

2 靜載試驗

橋梁靜載試驗是按照預(yù)定的試驗?zāi)康暮驮囼灧桨?，將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，觀測橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫、沉降等參量的試驗，然后，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的指標，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力以及在荷載作用下工作性能。試驗分為上部試驗，如梁橋、鋼構(gòu)橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋的上部結(jié)構(gòu)，還有下部試驗，如橋墩、橋臺和基礎(chǔ)。

橋梁靜載試驗檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，驗證結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性;驗證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與計算方法，充實與完善橋梁結(jié)構(gòu)的計算理論與施工技術(shù)，積累科學(xué)技術(shù)資料;掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力。

靜載試驗分為3個階段。

(1)準備規(guī)劃階段。包括:①技術(shù)資料的收集，包括設(shè)計、施工、監(jiān)理、試驗、養(yǎng)護與維修、環(huán)境因素、交通量及重載車輛的情況等;②橋梁現(xiàn)狀檢查，包括橋面、排水、承重結(jié)構(gòu)開裂與否及裂縫分布情況、有無露筋現(xiàn)象及鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化剝落程度、支座、沖刷等;③理論分析計算，設(shè)計內(nèi)力計算是按照設(shè)計圖紙、設(shè)計荷載、設(shè)計規(guī)范，采用專用或通用軟件，計算出結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)力;試驗荷載效應(yīng)計算是按實際加載等級、加載位置及加載重量，計算出各級試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)各測點的反應(yīng)，如位移、應(yīng)變等，以便于實測值進行比較;④試驗方案制定，包括測試內(nèi)容確定、加載方案設(shè)計、觀測方案設(shè)計、儀器儀表選用等;⑤現(xiàn)場準備，包括搭設(shè)工作腳手架、測量儀表支架、測點放樣、測試元件布置、測試儀器安裝調(diào)試、通訊照明安排等。

(2)加載與觀測階段。分準備工作、試驗方案加載、觀測試驗結(jié)構(gòu)受力后的各項性能指標、記錄各種觀測數(shù)據(jù)和資料4個步驟，將得到的各種技術(shù)數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行現(xiàn)場分析比較，以判斷受力后結(jié)構(gòu)行為是否正常，是否可以進行下一級加載，確保試驗結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備及試驗人員的安全。

(3)分析總結(jié)階段。大量的觀測數(shù)據(jù)、文字記載和圖片等材料，受各種因素的影響，原始測試數(shù)據(jù)一般顯得缺乏條理性與規(guī)律性，未必能直接揭示試驗結(jié)構(gòu)的內(nèi)在行為，對它們進行科學(xué)的分析與處理，去偽存真，進行綜合分析比較，從中提取有價值的資料，對于一些數(shù)據(jù)和信號，有時還需按照數(shù)理統(tǒng)計或其他方法進行分析，或依靠專門的分析儀器或分析軟件進行分析處理，或按照有關(guān)規(guī)程的方法進行計算，測試數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，按照相關(guān)規(guī)范或規(guī)程以及檢測的目的要求，對檢測的對象做出科學(xué)準確的判斷和評價。

根據(jù)賓王大橋特點，充分利用對稱性，試驗跨選東側(cè)邊跨和中跨進行荷載試驗，確定的主要試驗內(nèi)容為:(1)各試驗跨橋面控制截面(L/2，L/4，3L/4和中支點等截面)最大正彎矩作用下的應(yīng)力狀態(tài)、撓度和扭轉(zhuǎn)變位(包括上、下游兩側(cè)撓度差);(2)拱角控制截面最大內(nèi)力(彎矩、軸力)作用下的應(yīng)力、撓度(變形)情況;(3)偏載作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和偏載系數(shù);(4)裂縫的出現(xiàn)及擴展情況。

2.1 加載工況及輪位布置結(jié)果及其對比分析

賓王大橋試驗跨及控制截面見圖1，測量位置見圖2。

圖1 賓王大橋試驗跨及其控制截面Fig.1 Test crosses and control section of the Binwang Bridge in Yiwu

圖2 控制截面應(yīng)變測點位置圖Fig.2 Locations of the strain measuring points of the control sections

為了準確分析該結(jié)構(gòu)特性和確定最不利輪位布載，主要采用橋梁博士以及MIDAS大型有限元分析程序分別計算內(nèi)力影響線、控制截面的應(yīng)力和變形等參數(shù)。

表1 靜載試驗工況Table 1 Static test conditions

2.2 撓度試驗結(jié)果及分析

工況一、二時撓度實測值與理論值比較曲線如圖3所示。

表2 工況一下邊跨(55 m)撓度實測值和理論值比較表Table 2 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the side span for condition 1 mm

表3 工況二下中跨(80 m)撓度實測值和理論值比較表Table 3 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the central span for condition 2 mm

圖3 撓度曲線圖Fig.3 Deflection curves

經(jīng)計算得各測點豎向撓度的校驗系數(shù)為0.28～0.97，而主要測點的撓度校驗系數(shù)為0.63 ～0.97，表明該橋的工作狀況良好，具有足夠的安全儲備。

在中跨對稱加載時，跨中撓度在扣除支座沉降影響之后為8.950 mm(2006 年)，9.914 mm(2011年)，小于理論計算值13.42 mm，撓度校驗系數(shù)為0.74;在邊跨對稱加載時，跨中撓度在扣除支座沉降影響之后為6.318 mm(2006年)和7.995 mm(2011年)，小于理論計算值10.58 mm，撓度校驗系數(shù)為0.76，說明結(jié)構(gòu)實際剛度比理論剛度大，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

2.3 控制截面應(yīng)力試驗結(jié)果及分析

在各個工況下，邊跨、中跨截面實測應(yīng)力和理論計算值分布情況如表4所示。

表4 各工況下截面應(yīng)力分布圖Table 4 Stress distribution of section on each condition

實測該橋中跨(80 m跨)、邊跨(50 m跨)跨中梁底拉應(yīng)力平均值分別為1.205 MPa和1.12 MPa(2006 年)，1.232 MPa和0.532 MPa(2011 年)，小于理論計算值1.68 MPa和1.40 MPa(2006 年)，2.02 MPa和1.62 MPa(2011年);實測中跨、邊跨拱腳正應(yīng)力為 －1.733 MPa和 －1.645 MPa(2006年)，－1.738 MPa和 －1.721 MPa(2011 年)，小于理論計算值 －1.96 MPa和 －1.84 MPa(2006年)，－2.12 MPa和 －2.7 MPa(2011 年);所有控制截面應(yīng)力校驗系數(shù)為0.64～0.90，在最不利(對稱)荷載作用下，各控制截面的應(yīng)變校驗系數(shù)滿足《大跨度混凝土橋梁試驗方法》3.19.2條款的規(guī)定，及校驗系數(shù)為0.6～1.1，說明結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)力儲備。

與撓度測試相比，應(yīng)力測試的精度一般相對較低，且測試結(jié)果有一定的離散性。因此，結(jié)構(gòu)的靜力性能評價應(yīng)以撓度為主要指標，應(yīng)力作為參考。

3 動力性能試驗

橋梁結(jié)構(gòu)的動力荷載試驗是研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性。這些測試結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運營狀況和承載特性的重要指標。橋梁結(jié)構(gòu)振型的振動周期(或頻率)與結(jié)構(gòu)的剛度有著確定的關(guān)系。在設(shè)計時亦要避免引起橋跨結(jié)構(gòu)共振的強迫振動振源(如風(fēng)、車輛等)的頻率與橋跨自振頻率相合，引起過大的共振振幅危及橋梁。

在某一行車速度下，或接近或達到臨界速度時，結(jié)構(gòu)的動撓度和動應(yīng)力會達到最大，在設(shè)計中這種動力放大作用是采用沖擊系數(shù)來考慮的。沖擊系數(shù)是橋梁設(shè)計的重要技術(shù)參數(shù)，直接影響到橋梁設(shè)計的安全與經(jīng)濟性能，實測并積累有關(guān)沖擊系數(shù)的數(shù)據(jù)，是橋跨結(jié)構(gòu)動力荷載試驗的任務(wù)之一。在某振動頻率下過大的振幅，會使乘客和行人感覺不舒服。當(dāng)橋梁自振頻率處于某些范圍時，外荷載(包括行駛車輛、行人，地震、風(fēng)載，海浪沖擊等)也可能會引起橋共振。近年來研究的橋梁結(jié)構(gòu)病害診斷，實際也是以橋跨結(jié)構(gòu)或構(gòu)件固有頻率的改變?yōu)楦鶕?jù)的。因此，對新建的橋梁、舊橋以及對結(jié)構(gòu)承載能力有疑問的橋梁均需進行動力荷載試驗。

本橋結(jié)構(gòu)動力分析采用大型有限元分析程序MIDAS，建立理論模型，全面分析結(jié)構(gòu)的動力特性和動力反應(yīng)。動載試驗時，采用靜載試驗加載重車分別以30～50 km/h的速度駛過橋梁，每種速度重車各往返跑兩次。測定梁指定部位的振動位移，求出梁體的豎向、橫向最大振幅和相應(yīng)的沖擊系數(shù)。采用脈動試驗測定全橋的1～6階自振頻率、振型及阻尼比。動載試驗主要工況有跑車(行車)、跳車等。

3.1 測點布置

動力測點布置見圖4。

圖4 動力測點布置示意圖Fig.4 Arrangement diagram of the dynamic observation point

3.2 動位移試驗結(jié)果及對比分析

通過對拾振器記錄到的位移曲線進行振動幅值的掃描分析，求出橋梁結(jié)構(gòu)的最大位移幅值。通過對動信號進行幅值與相位譜、功率譜、相干函數(shù)分析，得出橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型，見表5。

表5 全橋行車動位移測試結(jié)果Table 5 Test results of the full bridge vehicle dynamic displacement mm

由表5可知:在不同行車速度和試驗車作用下，實測的豎向最大振幅為0.967 0 mm(2006年)，0.466 8 mm(2011年);橫向最大振幅為0.085 4 mm(2006 年)，0.048 7 mm(2011 年)。隨著行車速度的增加，豎向振幅、加速度總的呈增大趨勢，并且在不同行車速度下，各跨跨中的豎向動位移比橫向大很多，說明該橋橫向剛度教豎向剛度大，各測點的動位移基本符合受力規(guī)律。

3.3 自振頻率、阻尼比試驗結(jié)果及對比分析

通過對脈動及列車過橋后的余振波形進行譜分析，得到橋梁的縱向、橫向及豎向自振頻率及阻尼比，結(jié)構(gòu)自振頻率實測值與理論計算值的比較如表6所示。

表6 自振頻率的實測值與理論值的比較Table 6 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the natural vibration frequency Hz

由表6可知:自由振動激發(fā)的主要是結(jié)構(gòu)的一階頻率(因其能量最大)，對自由振動響應(yīng)作頻譜分析可得出結(jié)構(gòu)的一階豎向自振頻率實測值均較理論計算值稍大，說明該橋?qū)嶋H豎向剛度良好。

從結(jié)構(gòu)自由衰減振動信號還可得出結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比，識別模態(tài)阻尼比的方法是對數(shù)衰減率法，識別結(jié)果分別約為7.43%(邊跨)和6.45%(中跨)(2006 年)，8.87%(邊跨)和 7.42%(中跨)(2011年)，與一般橋梁結(jié)構(gòu)臨界阻尼比1% ～10%接近，屬正常范圍。

4 裂縫試驗結(jié)果對比與分析

在2006年對該橋做過靜動載試驗及外觀分析，得出該賓王大橋在試驗荷載作用下的工作性能良好，實測結(jié)果與理論計算吻合較好，整體性能良好，強度、剛度均滿足要求。下面是此次裂縫觀測及其檢測試驗結(jié)果與2006年試驗結(jié)果的對比，見表7。

表7 裂縫前后試驗實測值與理論值的比較Table 7 The comparison between the experimental results and the theoretical value before and after test

通過上表中前后靜動載試驗可以得出以下主要結(jié)論:應(yīng)力、撓度實測撓度小于理論計算值，主要截面的撓度校驗系數(shù)都在合理的限制之內(nèi)，且裂縫的寬度也滿足規(guī)范要求，但有增大的趨勢。原因是橋梁的通行量大，堵車狀況嚴重，將橋梁的非機動車道改為機動車道來通行，增加了橋梁的承載、后期保養(yǎng)、混凝土自身的缺陷及其索拉力的減弱等方面，但總體的數(shù)據(jù)表明該橋整體狀態(tài)良好，承載力具有足夠的安全儲備。

5 結(jié)論

(1)在中跨對稱加載時，跨中撓度小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，在邊跨對稱加載時，跨中撓度在小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)實際剛度比理論剛度大，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

(2)實測梁底拉應(yīng)力小于理論計算值，拱腳實測值小于理論計算值，所有控制截面應(yīng)力校驗系數(shù)為0.60～0.90，說明結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)力儲備。

(3)在試驗車作用下，實測的豎向最大振幅、橫向最大振幅在規(guī)范容許的范圍內(nèi)。

(4)結(jié)構(gòu)的一階豎向自振頻率實測值均較理論計算值稍大，說明該梁的實測動剛度比設(shè)計動剛度要大，結(jié)構(gòu)動力性能良好。

(5)橋梁的裂縫長度、寬度都增大的傾向，但總體上，裂縫的寬度都在規(guī)范規(guī)定的要求之內(nèi)。

建議對此類大橋在運營階段進行定期動載試驗，通過測定橫向振幅及自振特性對大橋的健康狀態(tài)進行評估，以確保大橋及列車運行的安全。

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