某特大跨徑拱橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)

耿 澤，孫亞民，裴存棟

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

引言

近年來(lái)，隨著公路運(yùn)輸壓力的不斷增加，對(duì)設(shè)計(jì)、在建、在役及技術(shù)加固后的橋梁質(zhì)量要求越來(lái)越高，特別是新的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)思想、施工技術(shù)不斷應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)中，橋梁結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，跨徑越來(lái)越大，對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，確定其結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載作用下的工作要求，便顯得尤為重要［1］。

拱橋造型優(yōu)美，承載能力大，主跨200 m以上的特大跨徑鋼筋混凝土拱橋并不多見(jiàn)，本文以福建省境內(nèi)某特大跨徑鋼筋混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立空間模型，參考已得到的橋梁技術(shù)評(píng)定結(jié)果，分析得出其在靜力荷載作用下的控制截面應(yīng)力和撓度計(jì)算值，及主體結(jié)構(gòu)自振頻率特性、行車(chē)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，與實(shí)際加載的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)該橋的健康狀況。

1 橋梁概況

該橋設(shè)計(jì)方案為:5×20 m預(yù)應(yīng)力空心板+1×228.2 m鋼筋混凝土箱型拱(主拱凈距204.959 m)+3×20 m預(yù)應(yīng)力空心板(全橋橋長(zhǎng)405.4 m)，拱軸線(xiàn)采用懸鏈線(xiàn)，拱軸系數(shù)m=1.875，其中主孔采用單箱三室節(jié)段預(yù)制。橋面橫坡2%，橋面總寬10 m，橋面布置:0.5 m(防撞欄桿)+9 m(行車(chē)道)+0.5 m(防撞欄桿)。橋梁設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)為公路—I級(jí)。拱上結(jié)構(gòu)跨度布置采用12.66 m、12.68 m兩種跨度形式，共布置18孔，橋面系由8片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁組成，拱座設(shè)計(jì)為重力式鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)該橋的設(shè)計(jì)說(shuō)明，主拱圈、預(yù)應(yīng)力空心板采用C50混凝土，立柱及帽梁等其它拱上建筑采用C30混凝土，彈性模量取Ec=3.45×104MPa。該橋已使用超過(guò)5年，通過(guò)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)對(duì)橋梁各部件進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，該橋評(píng)定為3類(lèi)橋。

2 有限元模型的建立

主橋力學(xué)模型采用有限元軟件Midas Civil 2012參考設(shè)計(jì)圖紙建立有限元模型。建模時(shí)，利用拱建模助手建立拱肋形狀，采用空間梁格法模擬橋面板，空心板的鉸接縫通過(guò)釋放梁端約束來(lái)模擬，橫向虛擬聯(lián)系梁的截面特性與空心板保持一致，拱腳處固結(jié)，立柱與拱肋之間的約束采用主從關(guān)系來(lái)模擬，蓋梁與立柱、橋面板之間的約束采用彈性連接模擬，將車(chē)輪荷載作為集中力處理［2］。

各承重構(gòu)件的計(jì)算采用計(jì)入普通鋼筋的換算截面，全橋共分2181個(gè)節(jié)點(diǎn)和2588個(gè)單元。本文利用Anil K C［3］的對(duì)稱(chēng)三角形脈沖力理論，通過(guò)軟件模擬不同速度的汽車(chē)車(chē)列，以分析無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)，具體模型如圖1所示。

圖1 拱橋有限元模型

3 試驗(yàn)方案

3.1 靜載試驗(yàn)方案

橋梁靜載試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下控制斷面的應(yīng)力和撓度，從而推斷出橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)成橋后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、靜剛度、穩(wěn)定性和抗裂性等［4］。

3.1.1 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

(1)測(cè)試斷面

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)［5］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)中有關(guān)拱橋加載測(cè)點(diǎn)位置的規(guī)定及參考試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取拱橋拱頂截面和拱腳截面作為測(cè)試斷面。測(cè)試斷面如圖2所示。

(2)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 控制截面布置圖

荷載試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)結(jié)構(gòu)受力最不利位置和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行布置。各測(cè)試斷面主要布置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3、圖4和圖5所示，其中13號(hào)測(cè)點(diǎn)為動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖3 S1截面處空心板應(yīng)變和撓度測(cè)試點(diǎn)布置圖

圖4 拱頂處拱肋上應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)布置圖(單位:cm)

圖5 拱腳截面拱肋上應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)布置圖(單位:cm)

3.1.2 靜載試驗(yàn)內(nèi)容

(1)工況一:拱頂截面最大正彎矩中載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋向?qū)ΨQ(chēng)布載。

(2)工況二:拱頂截面最大正彎矩偏載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋偏載。

(3)工況三:拱腳截面最大負(fù)彎矩中載工況。順橋向按拱腳截面最大負(fù)彎矩的最不利位置布載，橫橋向?qū)ΨQ(chēng)布載。

3.1.3 試驗(yàn)荷載

此橋試驗(yàn)共需加載車(chē)4輛，加載車(chē)輛總重為35 t的三軸自卸車(chē)，軸重分配為14 t，14 t，7 t。為實(shí)現(xiàn)對(duì)加載試驗(yàn)的實(shí)時(shí)控制，保證結(jié)構(gòu)安全，在試驗(yàn)過(guò)程中，加載車(chē)輛分級(jí)加載，及時(shí)將實(shí)測(cè)控制數(shù)據(jù)及應(yīng)力、撓度等換算處理，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，以判斷試驗(yàn)荷載下的結(jié)構(gòu)性能。由《規(guī)程》的規(guī)定，本文利用內(nèi)力等效原則確定靜力荷載試驗(yàn)效率，測(cè)試的工況及荷載試驗(yàn)效率見(jiàn)表1。

表1 加載效率表

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)方案

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)主要包括主體結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試、行車(chē)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試參數(shù)包括自振頻率、振型、阻尼比和沖擊系數(shù)，檢驗(yàn)橋梁的動(dòng)剛度和行車(chē)性能是否滿(mǎn)足要求［6］。動(dòng)應(yīng)變測(cè)試位置選擇在拱肋拱頂截面。

3.2.1 自振特性

采用頻域法中峰值拾取法，也是目前橋梁模態(tài)識(shí)別的主要方法，該操作簡(jiǎn)單、識(shí)別快，利用環(huán)境激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，無(wú)需激振設(shè)備［7-9］，用高精度超低頻加速度傳感器做拾振器，使用DHMA模態(tài)軟件分析該橋的自振特性，得到該橋的動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)和工作性能進(jìn)行評(píng)估。

3.2.2 無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)

采用1輛總重約為35 t的載重汽車(chē)，在橋面上無(wú)任何障礙的情況下，受到篇幅限制，以30 km/h、40 km/h的速度駛過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器配便攜計(jì)算機(jī)測(cè)試測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)跁r(shí)域中的變化，根據(jù)控制截面測(cè)點(diǎn)在行車(chē)試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行分析處理計(jì)算活載沖擊系數(shù)。

3.3 靜、動(dòng)剛度

隨著服役期的增長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)性能會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性也會(huì)有較大的變化，動(dòng)剛度EID會(huì)受到更多更復(fù)雜的因素影響，如橋梁邊界約束條件的變化，其值與梁在靜力作用下的剛度EIS明顯不同，賀栓海、宋一凡等對(duì)此做了大量研究［10-12］。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性反映的是整體結(jié)構(gòu)，與單梁沒(méi)有明顯的聯(lián)系。隨著荷載的增加，梁的靜、動(dòng)剛度也不斷降低，其降低的速率不同，如矩形梁靜剛度始終大于動(dòng)剛度，但T梁靜、動(dòng)剛度減小速率與矩形梁相反，T梁靜剛度有可能大于其動(dòng)剛度。鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)工作機(jī)理還未得到透徹揭示，本文為拱橋體系提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

各測(cè)點(diǎn)變形(或應(yīng)變)計(jì)算公式:

式中，St、Se和Sp分別為試驗(yàn)荷載作用下量測(cè)的結(jié)構(gòu)總變形(或總應(yīng)變)值、結(jié)構(gòu)彈性變形(或應(yīng)變)值和結(jié)構(gòu)殘余變形(或應(yīng)變)值;Si為加載前的測(cè)值;Sl為加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的測(cè)值;Su為卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的測(cè)值［13］。

4.1.1 撓度分析

利用精密水準(zhǔn)儀對(duì)橋面兩邊撓度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，利用試驗(yàn)荷載(滿(mǎn)載)作用下?lián)隙仍跇蛎鎯蛇叺姆植记闆r，得到控制截面的靜剛度特性，橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 工況一撓度分析結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)最大的撓度均小于有限元計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.64、0.70、0.81 和0.54，滿(mǎn)足《規(guī)程》中小于1的要求，由此說(shuō)明在試驗(yàn)荷載作用下S1和S2測(cè)試截面的靜剛度EIS滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。橋面相對(duì)殘余撓度較大與橋梁的技術(shù)狀況不良，梁板存在多條裂縫相吻合。

4.1.2 應(yīng)變分析

拱肋各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。拱肋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿(mǎn)足《規(guī)程》中不大于1的要求，說(shuō)明在試驗(yàn)荷載下，拱肋強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拱肋相對(duì)殘余應(yīng)變均超過(guò)《規(guī)程》中20%的規(guī)定，說(shuō)明拱肋在試驗(yàn)荷載作用下彈性狀態(tài)不佳，在較大的車(chē)輛荷載下，拱肋會(huì)發(fā)生塑性變形。

表3 拱肋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 自振特性結(jié)果與分析

(1)實(shí)測(cè)自振特性

利用DHMA模態(tài)軟件計(jì)算自振特性，如圖6～圖8所示，自振頻率、阻尼比及振型特征說(shuō)明見(jiàn)表4。

圖6 自振特性測(cè)試時(shí)程曲線(xiàn)

圖7 自振特性測(cè)試幅值曲線(xiàn)

圖8 豎向1階模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果

表4 動(dòng)力分析實(shí)測(cè)結(jié)果

(2)有限元計(jì)算自振特性

由Midas Civil 2012軟件計(jì)算得到本橋自振頻率和振動(dòng)特征。

(3)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算對(duì)比分析

由于該橋空心板、拱肋及拱座存在著較多裂縫，部分支座缺失，全橋剛度必定受到影響，豎向振動(dòng)實(shí)測(cè)頻率0.98明顯小于計(jì)算值1.12(表5)，說(shuō)明實(shí)際的動(dòng)剛度小于計(jì)算剛度，結(jié)構(gòu)剛度稍有削弱［14-15］，振型特征一致，由時(shí)域曲線(xiàn)分析結(jié)果可以看出，橋梁振動(dòng)阻尼系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)耗能較快(圖9)。

表5 動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果

圖9 豎向1階振型計(jì)算結(jié)果

4.2.2 無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)實(shí)測(cè)行車(chē)試驗(yàn)

大橋行車(chē)試驗(yàn)中動(dòng)應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果如圖10所示。

圖10 實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)

由動(dòng)應(yīng)變曲線(xiàn)計(jì)算出各工況的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)處理后分別為 0.05，0.11。

(2)有限元計(jì)算行車(chē)試驗(yàn)

通過(guò)Anil K C的對(duì)稱(chēng)三角形脈沖力理論，本文利用Midas Civil軟件計(jì)算得到應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)，進(jìn)行加權(quán)處理后得到?jīng)_擊系數(shù)0.03和0.08，如圖11所示。

圖11 應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

將各工況的沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，見(jiàn)表6。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值較接近，由于部分墩頂負(fù)彎矩較大，導(dǎo)致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值比計(jì)算值稍大。

表6 沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值及計(jì)算值分析比較

(3)行車(chē)試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果分析

行車(chē)試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果分析見(jiàn)表7。對(duì)比行車(chē)試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)最大實(shí)測(cè)和計(jì)算的響應(yīng)值，橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備，行車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果與靜載試驗(yàn)結(jié)果也較接近，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

表7 校驗(yàn)系數(shù)

5 結(jié)論

該橋的技術(shù)狀況評(píng)定為3類(lèi)橋，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得到以下4點(diǎn)結(jié)論:

(1)靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋的撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明測(cè)試截面S1和S2的靜剛度和強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但大部分殘余值超過(guò)20%，根據(jù)該橋出現(xiàn)的裂縫和其他技術(shù)狀況，在較大車(chē)輛荷載下，會(huì)發(fā)生塑性變形。

(2)自振特性分析結(jié)果表明，由于該橋空心板、拱肋、拱座和防撞護(hù)欄存在著較多裂縫，多跨部分支座喪失功能，邊界條件發(fā)生較大變化，全橋剛度必定受到影響，豎向振動(dòng)實(shí)測(cè)基頻小于計(jì)算值，說(shuō)明實(shí)際橋梁的動(dòng)剛度小于計(jì)算剛度。

(3)沖擊系數(shù)結(jié)果表明，由于部分墩頂負(fù)彎矩較大，導(dǎo)致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，無(wú)障礙行車(chē)得到的沖擊系數(shù)略高于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)直接關(guān)系到橋梁的安全和經(jīng)濟(jì)性能，這種現(xiàn)象會(huì)縮短橋梁的行駛壽命，并加劇路面的破壞［16］。

(4)行車(chē)試驗(yàn)校驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在動(dòng)載試驗(yàn)中，橋梁具有一定的安全儲(chǔ)備。

由于該橋在外觀(guān)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)多跨簡(jiǎn)支空心板梁的支座脫空、剪切變形嚴(yán)重、支座偏位嚴(yán)重，拱座出現(xiàn)較多裂縫，邊界條件發(fā)生較大變化，導(dǎo)致動(dòng)力特性中的動(dòng)剛度降低幅度比靜剛度大，該橋尚能維持正常使用，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出的問(wèn)題與該橋技術(shù)狀況有關(guān)。

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