近年來,隨著橋梁設計水平和施工技術的提高,很多新材料、特殊結構形式及新工藝應用到橋梁建設上來。但施工過程中存在的管理不到位,使用不合格材料等因素,導致橋梁在建成時就有病害,運營過程中可能出現(xiàn)的超載車輛,使病害進一步加強。因此,為評定橋梁設計成果和施工質量、結構承載能力,保證橋梁通車后能安全運營,需要對剛竣工的橋梁進行承載力檢測,即橋梁動、靜載實驗。
圖1 靜載試驗控制截面布置圖
本文針對武漢市墨水湖北路高架一聯(lián)3*30米預應力混凝土連續(xù)梁進行動、靜載檢測實驗分析。平面位于半徑R=400米的圓曲線上,箱梁采用單箱三室截面,梁頂板結構寬26米,梁高2.0米,梁體采用C50 混凝土,箱梁采用縱、橫雙向預應力體系。斷面為雙向六車道,設計車速為60km/h,汽車荷載:城-A 級。
圖2 A-A、B-B、C-C 斷面測點布置圖
靜載試驗內容包括主梁控制截面的應力和撓度,依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》CJJ/T 233-2015 中關于橋梁荷載試驗的有關規(guī)定,結合橋梁受力特點,在滿足評定橋梁承載能力的前提下,按最不利效應的原則,本橋靜載試驗控制斷面設置在跨中最大正彎矩處、支點截面最大剪力處,共5 處,如下圖1所示。
在上述五個檢測斷面中,布置5個(A~E)應力檢測斷面,3個(A~C)撓度檢測斷面。各檢測斷面的應變檢測點設置在各截面箱梁底板和腹板;剪力檢測點布置在主梁中性軸處;撓度檢測點布置在截面的橋面板上。各斷面的檢測點布置如下圖2~4所示。
圖3 D-D 斷面測點布置圖
圖4 E-E 斷面測點布置圖
根據(jù)設計圖紙,采用有限元軟件Midas建立空間有限元模型,并進行靜、動力計算和分析,分別計算試驗車輛作用下,各種靜力工況下結構的內力、位移等參數(shù),以便與實測數(shù)據(jù)進行對比。
圖5 橋梁結構有限元模型
靜力試驗荷載既要保證結構的安全性,又能暴露出結構的承載能力。根據(jù)橋梁相關檢測規(guī)范規(guī)定,靜載試驗的荷載效率系數(shù)為:0.95 <ηq <1.05。按照控制內力或變位等效原則,確定本次靜力試驗工況及荷載。本次試驗荷載采用單車總重40噸,前軸軸重約為8噸,后軸軸重約為32噸,前軸距L1 為3.8m,后軸距L2 為1.4m 的六輛試驗車輛。
因本橋平面處于圓曲線上,加載方式包含中載和偏載兩種加載工況。荷載按三級加載,加載完成后,按兩級卸載。各試驗工況和荷載效率如表1所示:
表1 靜載試驗各工況及荷載效率系數(shù)
表2 不同工況下各截面最大應變統(tǒng)計表 單位:με
表3 不同工況下各截面最大豎向撓度結果統(tǒng)計表 單位:mm
各工況滿載作用下,各截面實測最大應變和根據(jù)空間有限元模型理論計算值如表2所示:
各工況滿載作用下,各截面實測最大豎向撓度和根據(jù)空間有限元模型理論計算值如表3所示:
由上述兩表可以看出,結構在各靜載試驗工況下,實測最大應變?yōu)槔碚搼兊?.73倍,實測最大撓度為理論撓度的0.79倍,校驗系數(shù)均小于1.0,實際承載能力滿足設計要求。撓度實測值均小于理論計算值,最大撓跨比為1/8219,遠小于規(guī)范允許的1/600,結構剛度滿足設計要求。
橋梁動載實驗主要包括結構自振特性實驗和行車動力響應實驗。檢測參數(shù)包括:自振頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)、動應變、動撓度等。通過橋梁結構實測動力參數(shù)與理論計算參數(shù)的比較,從而判斷結構整體剛度是否滿足設計要求。
4.1.1 根據(jù)已建立的空間有限元模型,進行橋梁結構動力響應分析,得到其振型、自振頻率和阻尼等參數(shù)。
4.1.2 自振特性實驗工況
橋梁結構在橋面無交通荷載及穩(wěn)定振源,主要由風荷載、地脈動等隨機激勵下引起微幅振動響應,產(chǎn)生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集,由動態(tài)信號采集分析儀進行信號處理得到結構實測自振頻率和阻尼比。
4.1.3 行車動力響應參數(shù)試驗工況
(1)跑車試驗:用一輛載重40噸的實驗車輛分別以20、30、40km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速駛過橋梁,測試結構的動力響應。
(2)跳車試驗:在跨中截面布置障礙物(寬30cm,高7cm),用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速,勻速駛過障礙物進行跳車實驗,測試結構的動力響應。
(3)制動試驗:用一輛載重40噸的實驗車輛以20km/h 車速沿橋梁中心線附近勻速行駛,在實驗截面位置緊急剎車,激發(fā)橋梁的水平振動,測試結構的動力響應。
以上工況下產(chǎn)生的信號采用高靈敏壓電加速度計采集,進行信號處理得到結構動力響應。
4.2.1 振動特性實驗結果
通過對橋梁結構理論分析和脈動測試信號分析,得到橋梁一階自振頻率、阻尼比和實測值。
由表4數(shù)據(jù)可以看出,橋梁基頻實測值為4.79Hz,大于理論計算值4.40Hz,結構剛度滿足設計要求。
表4 振動頻率表 單位:Hz
表5 檢測截面跑車實驗沖擊系數(shù)實測值
表6 有障礙行車實驗檢測結果
表7 制動實驗檢測結果
4.2.2 無障礙跑車試驗
通過測試橋梁結構在行車過程中動撓度來計算結構的實際沖擊系數(shù),各實驗跨實測沖擊系數(shù)如表5所示:
沖擊系數(shù)是反應橋梁在運營階段工作狀況的一個重要指標,它與橋梁的線型、橋面平整度都存在直接關系。從表5可以看出,橋梁結構在車速為40km/h 時沖擊系數(shù)最大,實測沖擊系數(shù)(1+μ)在1.02~1.07之間,均小于理論計算值1.25,滿足規(guī)范要求。
4.2.3 有障礙行車實驗
在檢測跨中截面布置障礙物(寬30cm,高7cm),用一輛加載車以20km/h 車速,勻速行駛過障礙物進行跳車試驗,測試結構的動力響應,測得的動撓度如表6所示:
由表6數(shù)據(jù)可以看出,橋梁結構反應平穩(wěn),最大動撓度及沖擊系數(shù)都滿足規(guī)范要求。
4.2.4 制動實驗
用一輛加載車以30km/h 車速勻速行駛至實驗跨截面處立即剎車至停止,測得的動撓度結果如表7所示:
由表7數(shù)據(jù)可以看出,橋梁結構反應平穩(wěn),最大動撓度及沖擊系數(shù)都滿足規(guī)范要求,結構動力性能較好。
通過對本橋進行不同工況下的靜、動載實驗,及對檢測數(shù)據(jù)進行整理分析表明,該橋工作性能較好,承載能力達到設計要求。