云南黑沖溝大橋動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)方案研究

鐘運(yùn)秋

【摘要】目前國(guó)內(nèi)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋普遍存在的開裂損等損壞，影響結(jié)構(gòu)工作性能，本文以大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)閷?duì)象，簡(jiǎn)單的介紹了進(jìn)行研究的必要性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、方式等進(jìn)行了研究。為今后類似研究建立模型提供參考。

【關(guān)鍵字】連續(xù)剛構(gòu)；裂縫；大跨徑

1、研究背景和必要性

近年來許多大跨度的連續(xù)剛構(gòu)（連續(xù)梁）橋在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了較多的工程病害，嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)的安全。病害主要表現(xiàn)在撓度和裂縫2個(gè)方面。由于標(biāo)準(zhǔn)的不同，裂縫的分類方法有多種。箱梁裂縫從發(fā)生的部位可以分為頂板裂縫、腹板裂縫、底板裂縫、橫隔板裂縫；從裂縫的力學(xué)特性可以分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫、局部應(yīng)力引起的裂縫；從裂縫產(chǎn)生的外因可以分為荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、基礎(chǔ)變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫等。在這些裂縫類型中，以可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常使用或者結(jié)構(gòu)耐久性的箱梁腹板斜裂縫破壞性最大，是國(guó)內(nèi)外橋梁專家學(xué)者重點(diǎn)研究的裂縫類型。

這些腹板斜裂縫裂縫集中在25°～45°之間，主要出現(xiàn)在連續(xù)箱梁橋的邊孔現(xiàn)澆段、L/4 截面附近或者梁腹厚度變化區(qū)段。例如：河南省三門峽黃河公路大橋，該橋建成于 1993 年，僅僅運(yùn)營(yíng)了短短的七年，主橋（連續(xù)剛構(gòu)）箱梁很多梁段的腹板就出現(xiàn)了斜裂縫；風(fēng)陵渡黃河公路大橋，在 1994 年 11 月竣工通車幾年后，主橋（連續(xù)梁）箱梁梁體在一些部位產(chǎn)生了不同程度的腹板斜裂縫；黃石長(zhǎng)江大橋（連續(xù)剛構(gòu)）于 1995 年竣工，使用一年后被發(fā)現(xiàn)腹板出現(xiàn)斜裂縫。東明黃河大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在 L/4 截面附近梁腹板表面出現(xiàn)的與頂板大致呈 20°～60°夾角的斜向裂縫，大多由頂板與腹板交界處開始，向下延伸至 1/3～1/2 梁高處，方向基本上與主拉應(yīng)力方向垂直。這些斜裂縫不僅會(huì)削弱橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還會(huì)加速鋼筋銹蝕。而鋼筋銹蝕則會(huì)引起體積膨脹，從而使混凝土開裂，破壞混凝土的受力性能，降低材料的耐久性能和橋梁的承載能力，影響橋梁的美觀及使用壽命，如果嚴(yán)重時(shí)很可能引起交通事故。同時(shí)這種斜裂縫的普遍性使得工程界對(duì)箱梁橋的應(yīng)用開始產(chǎn)生不安，甚至懷疑，直接影響其在公路工程建設(shè)中的進(jìn)一步推廣，因而對(duì)于箱梁斜裂縫的檢測(cè)識(shí)別與加固研究也更加迫切。

2、研究目的

進(jìn)行云南黑沖溝特大橋動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)研究，其主要目的有：

（1）通過對(duì)黑沖溝特大橋模型自振特性的測(cè)定，為“大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板斜裂縫動(dòng)力學(xué)識(shí)別研究”提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料；

（2）分析和比較模型在腹板擬定部位出現(xiàn)裂縫的情況下自振特性與無裂縫情況下的自振特性，驗(yàn)證通過動(dòng)力學(xué)手段識(shí)別橋梁損傷的可行性；

（3）驗(yàn)證計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)云南黑沖溝特大橋（左幅）全橋作為原型。

原型基本構(gòu)造參數(shù)為：

主橋上部結(jié)構(gòu)為98+180+98m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)397m。箱梁采用豎直腹板的單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬度為12.5米，箱體寬度為6.5米。兩端及中跨跨中梁高3.2米，墩頂根部梁高10.8米，其余主梁梁高變化采用1.8次拋物線。箱梁合攏段底板厚度32厘米，墩頂?shù)装甯亢穸?20厘米，厚度變化采用1.8次拋物線變化。箱梁腹板厚度采用50、60厘米，僅在主梁零號(hào)塊為90厘米。箱梁采用50號(hào)混凝土。主梁懸臂澆注梁段劃分長(zhǎng)度依次為13.0米0號(hào)塊+6x3.5米+7x4.5米+6x5.0米，合攏段采用2.0米。邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)7.0米，上部構(gòu)造為全預(yù)應(yīng)力混凝土

主墩采用空心薄壁墩，橋墩的橫向?qū)挾扰c橋同寬為6.5米。每個(gè)墩下均有一尺寸為14*14*9.45米的承臺(tái)，主橋支座采用GPZ4500型盆式橡膠活動(dòng)支座（單向及雙向）。

4、模型相似常數(shù)的確定

根據(jù)前述選取的試驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量分布，首先要確定模型的相似常數(shù)。本報(bào)告中，相似常數(shù)的定義為：

相似常數(shù)=模型物理量/原型物理量

通常，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，需要先確定3個(gè)基本物理量：長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間的獨(dú)立相似常數(shù)作為基本相似比，而其余物理量的相似比則可以根據(jù)3個(gè)基本量相似常數(shù)通過量綱分析導(dǎo)出。但在實(shí)際中，模型相似比設(shè)計(jì)會(huì)受到可用材料、試驗(yàn)設(shè)備條件、試驗(yàn)?zāi)康牡榷喾矫娴南拗?，在確定了基本量相似常數(shù)后，并不能保證所有的導(dǎo)出相似常數(shù)都能得到滿足。因此實(shí)踐中往往先確定某些導(dǎo)出相似常數(shù)，再通過這些相似常數(shù)得到模型的基本量相似常數(shù)，最后得到模型其余的導(dǎo)出相似常數(shù)。

5、試驗(yàn)方案

在橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、附近的車輛、機(jī)器等振動(dòng)或地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激勵(lì)而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)有一個(gè)重要特性，它能明顯地反映出結(jié)構(gòu)的固有頻率振動(dòng)特性（自振頻率、陣型和臨界阻尼比）。故我們?cè)谀Ｐ透浇?，采用重錘敲擊的方式，給模型提供激勵(lì)，來模擬完成脈動(dòng)試驗(yàn)。

（1）無裂縫行車試驗(yàn)

主要用于測(cè)定在橋梁完好無裂縫情況下在行車荷載作用下，利用行車時(shí)的余振響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特征。

在此處模型試驗(yàn)中，行車荷載用模型小車來模擬完成，考慮到由于加速度計(jì)量程的問題，導(dǎo)致過輕的模型小車可能無法獲得比較好的信號(hào)，小車的質(zhì)量會(huì)根據(jù)實(shí)際試測(cè)以后進(jìn)行調(diào)整，得到最基本的小車質(zhì)量M，以V1、V2 、V3速度駛過模型橋跨，小車速度通過高度H控制，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。為了防止小車由于梁頂不平整導(dǎo)致的脫離模型橋，在模型橋面上用云石膠貼上3cm高有機(jī)玻璃條作為護(hù)欄，有機(jī)玻璃條分為0.5m一段貼上去，段與段之間不相連。

（2）有裂縫行車試驗(yàn)

主要模擬測(cè)定橋跨在有腹板裂縫時(shí)，運(yùn)行車輛荷載作用下結(jié)構(gòu)固有頻率特征。

此處也采用與無裂縫情況下相同的模型小車，行車速度控制方法和控制高度均與其一致。

通過相關(guān)查閱文獻(xiàn)以及一些實(shí)橋資料，得知連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板斜裂縫主要出現(xiàn)在L/4 截面附近或者梁腹厚度變化區(qū)段，角度在25°～45°之間，故試驗(yàn)時(shí)，我們主要這些位置進(jìn)行斜裂縫模擬，其中本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南淞焊拱搴穸茸兓瘏^(qū)段位于L/4 截面左側(cè)約37cm處。

裂縫擬分3個(gè)階段：第一個(gè)階段，僅僅主跨1/4處出現(xiàn)斜裂縫，狀況類型編號(hào)A；第二階段，增加裂縫位置，在距離L/4 截面左側(cè)約37cm處增加數(shù)條斜裂縫，狀況類型編號(hào)B；第三階段，繼續(xù)增加裂縫位置，在L/4截面兩側(cè)約5cm增加數(shù)條斜裂縫，狀況類型編號(hào)C。（注：裂縫的布置關(guān)于橋跨1/2線對(duì)稱，例如第一階段中L/4、3L/4截面均要布置相應(yīng)的對(duì)稱裂縫。）

裂縫的模擬方法，使用集中力加載的方法來獲得，先初步定于在主跨L/4對(duì)稱加載，加載方法直接用重物加載，重物采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的混凝土試件塊，每一塊的質(zhì)量都便于稱量，加載的時(shí)候可以很方便的控制。此處集中力的大小以及位置會(huì)通過結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算分析，來得到比較理想的加載力和位置。

關(guān)于裂縫的狀況類型的分類，主要指標(biāo)是兩個(gè)：主裂縫的長(zhǎng)寬和單位面積裂縫數(shù)量，根據(jù)以上兩個(gè)指標(biāo)通過集中力加載的方法得到從輕微到嚴(yán)重的A、B、C3個(gè)實(shí)驗(yàn)裂縫工況。

參考文獻(xiàn)

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