公路橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)研究

李玉春

(懷化沅江電力開發(fā)有限責(zé)任公司,湖南懷化　418106)

公路橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)研究

李玉春

(懷化沅江電力開發(fā)有限責(zé)任公司,湖南懷化418106)

橋梁動(dòng)、靜載試驗(yàn)是確保橋梁在運(yùn)營(yíng)階段安全可靠的基本判斷方法,通過(guò)對(duì)新建或舊有橋梁進(jìn)行動(dòng)、靜載試驗(yàn),理論與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可有效判斷橋梁的承載能力及施工質(zhì)量情況[1-2]。本研究以湖南懷化朗江至漠濱公路橋梁中一座4×20m,“T”型簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘?對(duì)其安全性和長(zhǎng)期使用性能進(jìn)行評(píng)估,為該類橋梁安全檢測(cè)提供參考。

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)靜載試驗(yàn)承載能力

1　背景

湖南省托口水電站會(huì)同庫(kù)區(qū)朗江至漠濱公路等級(jí)為四級(jí)，設(shè)計(jì)速度為20km/h，路基寬6.5m，路面寬6.0m，路面采用瀝青混凝土路面，路線復(fù)建里程19.49km，其中，大中橋梁813.48/10座。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，會(huì)同縣人民政府?dāng)M與五凌公司一起將該公路橋梁按省道干線三級(jí)公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì)速度為30km/h，路基寬7.5m，路面寬6.5m)實(shí)施。

圖2.1　試驗(yàn)跨“T”梁計(jì)算模型

圖2.2　試驗(yàn)跨簡(jiǎn)支梁活載彎矩效應(yīng)圖(kN·m)

圖2.3　T梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

圖2.4　位移測(cè)點(diǎn)布置圖一

2　試驗(yàn)跨的選擇

試驗(yàn)跨的選擇將結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算、橋梁檢查工作進(jìn)行。在建設(shè)單位和監(jiān)理單位的指導(dǎo)下，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察并與施工單位協(xié)商后進(jìn)行確定，選擇施工中存在一定問(wèn)題的橋跨、結(jié)構(gòu)受力最不利、相對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況較差、便于搭設(shè)支架和設(shè)置測(cè)點(diǎn)以及加荷方便的橋跨。對(duì)于跨數(shù)較多的橋梁適當(dāng)增加試驗(yàn)跨。還將對(duì)橋址情況進(jìn)行調(diào)查，包括橋上與兩端線路技術(shù)狀況，橋下凈空、水深、通航、橋址供電等，依此選擇合適的加載方式、量測(cè)手段、安全措施。

3　靜載試驗(yàn)

在已有技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，模擬試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)橋梁進(jìn)行理論計(jì)算分析，由橋梁結(jié)構(gòu)靜力分析確定靜力荷載試驗(yàn)內(nèi)力控制截面、試驗(yàn)荷載、加載工況、加載位置、測(cè)點(diǎn)布置等。通過(guò)理論計(jì)算使試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有初步估計(jì)。理論計(jì)算力求與實(shí)際情況吻合，并能反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的使用性能與工作狀態(tài)。

本次試驗(yàn)采用橋梁專用分能反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的使用性能與工作狀析計(jì)算軟件 M idas/Civil 對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)荷載的靜力理論計(jì)算。

3.1有限元建模

采用M idas/civil建立單梁有限元模型，其中試驗(yàn)跨簡(jiǎn)支T梁共劃分20個(gè)單元，21個(gè)結(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。

3.2有限元分析結(jié)果

圖2.5　第一級(jí)加載示意圖(尺寸單位:cm)

圖2.6　第二級(jí)加載示意圖(尺寸單位:cm)

圖2.7　第三級(jí)加載示意圖(尺寸單位:cm)

圖2.8　應(yīng)變測(cè)試結(jié)果比較圖

圖3.1　試驗(yàn)跨T梁一階自振模態(tài)

圖2.9　撓度測(cè)試結(jié)果比較圖

圖3.2　4×20m簡(jiǎn)支T梁剎車試驗(yàn)頻域分析圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，按照公路-II級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)橋梁的固有頻率計(jì)算沖擊系數(shù)，試驗(yàn)跨簡(jiǎn)支梁的活載效應(yīng)。如圖2.2所示。

3.3測(cè)點(diǎn)布置

3.3.1應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2.3所示，采用振弦式應(yīng)變計(jì)和配套的測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)。

3.3.2撓度測(cè)點(diǎn)

橋梁撓度測(cè)量時(shí)，橋臺(tái)處設(shè)置一臺(tái)精密數(shù)字式水準(zhǔn)儀，測(cè)尺布置在試驗(yàn)跨的1L/4、1L/2、3L/4位置以及相鄰跨的1L/2處。撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖2.4所示。

3.4加載

3.4.1加載效率

跟據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的規(guī)定，靜載試驗(yàn)荷載一方面應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應(yīng)能充分暴露結(jié)構(gòu)承載能力，一般靜載試驗(yàn)效率系數(shù):

3.4.2加載工況

經(jīng)計(jì)算分析表明:本次試驗(yàn)加載采用4臺(tái)重約240kN的加載車。加載車分3級(jí)加載，其中一級(jí)加載2臺(tái)車，二級(jí)加載3臺(tái)車，三級(jí)加載4臺(tái)車(分別如圖2.5～2.7所示)。

3.5測(cè)試規(guī)則

3.5.1靜力加載持續(xù)時(shí)間

加、卸載的持續(xù)時(shí)間取決于結(jié)構(gòu)最大變位測(cè)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所需要的時(shí)間，實(shí)際觀測(cè)時(shí)，一般是取15分鐘。

3.5.2終止加載的控制條件

①控制測(cè)點(diǎn)變位(或撓度)超過(guò)規(guī)范允許值時(shí);

②由于加載使結(jié)構(gòu)裂縫長(zhǎng)度、寬度急劇增加，新裂縫大量出現(xiàn)，寬度超出允許值的裂縫大量增多，對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命造成較大的影響時(shí);

③發(fā)生其它破壞，如超過(guò)規(guī)范允許值等影響橋梁承載能力或正常使用時(shí)。

為了確保安全，在第4級(jí)加載后，精密水準(zhǔn)儀就對(duì)最大變位點(diǎn)、應(yīng)變儀對(duì)應(yīng)變最大點(diǎn)。

3.6試驗(yàn)結(jié)果

相應(yīng)的應(yīng)變和撓度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較圖分別如圖2.8與2.9所示。

3.7靜載試驗(yàn)小結(jié)

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)變及撓度測(cè)量結(jié)果與理論值吻合較好，試驗(yàn)跨簡(jiǎn)支T梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.823，撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.821，均小于1，滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

(2)試驗(yàn)跨殘余應(yīng)變與加載應(yīng)變之比最大值為0.083，殘余撓度與加載撓度之比最大值為0.125，均小于0.2，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的回彈性能較好。

(3)試驗(yàn)跨在靜載試驗(yàn)下的跨中最大豎向撓度為5.2mm。考慮長(zhǎng)期下?lián)系挠绊?，根?jù)規(guī)范計(jì)算可得:，小于L/ 600=33.3mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求[3-6]。

4　動(dòng)載試驗(yàn)

4.1測(cè)試項(xiàng)目及方法

具體試驗(yàn)項(xiàng)目為跑車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)、脈動(dòng)試驗(yàn)四項(xiàng)。

4.1.1跑車試驗(yàn)

動(dòng)力荷載作用于結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變，一般較同樣的靜荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)靜應(yīng)變大。動(dòng)應(yīng)變與靜應(yīng)變的比值稱為活荷載的沖擊系數(shù)?；钶d沖擊系數(shù)綜合反映了動(dòng)力荷載對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，它與結(jié)構(gòu)形式，車輛運(yùn)行速度等因素有關(guān)。

4.1.2剎車試驗(yàn)與跳車試驗(yàn)

剎車試驗(yàn)是在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛試驗(yàn)車以20km/h的車速駛至主跨跨中附近進(jìn)行緊急剎車試驗(yàn);跳車試驗(yàn)是用1輛試驗(yàn)車進(jìn)行跳車試驗(yàn)。激發(fā)橋梁水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)后，采用高靈敏度的拾振器拾取橋梁的振動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)放大器和分析系統(tǒng)得到橋梁的振動(dòng)響應(yīng)。最后，通過(guò)譜分析求出結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

4.1.3脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是指在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起的結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng)。脈動(dòng)試驗(yàn)只需在周圍環(huán)境比較安靜的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)試方法與跳車試驗(yàn)相同。

4.2理論計(jì)算

本橋運(yùn)用M IDAS/Civil程序進(jìn)行自振頻率與振型的分析，計(jì)算模型見圖2.2所示，得到試驗(yàn)跨T梁一階自振模態(tài)圖，其理論頻率為4.7Hz，如圖3.1所示。

4.3主要測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況本次試驗(yàn)采用剎車試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)載測(cè)試，主要測(cè)試結(jié)果包括兩個(gè)方面:(1)橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性:頻率、阻尼比等;(2)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)。

試驗(yàn)跨剎車試驗(yàn)加速度時(shí)程響應(yīng)及頻域分析圖如圖3.2所示。

4.4動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果小結(jié)

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)跨剎車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較理想，自由衰減振動(dòng)信號(hào)波形較完好，第1階豎向彎曲振動(dòng)頻率可被準(zhǔn)確識(shí)別。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)跨測(cè)試頻率均比計(jì)算頻率大，表明各測(cè)試跨在整體剛度上是滿足要求的。

[1]吳建奇,鄭曉,張婷婷.公路橋梁工程的動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2011(3):26-28.

[2]廖海峰,黃德義.混凝土橋梁的檢測(cè)技術(shù)及其新發(fā)展述論[J].武漢交通管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2000(4):26-28.

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[4]JTJ F80/1-2004.公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[6]JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The dynam ic and static load test of road bridge is the basic judgment method to ensure the safe and reliable of bridge in the operation stage. By doing the dynam ic and static load test to the new or the old bridges,contrasting analysis theoretical and test results,we can judge the bearing capacity and construction quality of bridge effectively.In this research,which is based on one 4×20m、T-beam bridge detection test which is from Hunan Huaihua Langjiang to Mobin,to evaluate its safety and ong term performance,provide reference for such a bridge safety test.

bridge;dynam ic load test;static load test;bearing capacity