預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁橋荷載試驗(yàn)研究*

余隆 許蔚 位東升 鄒大晴 吳永紅

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在公路交通中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，由于交通量的增長(zhǎng)以及車(chē)輛嚴(yán)重超載數(shù)量的急劇增加，公路橋梁病害和損傷與日俱增，且缺乏長(zhǎng)期的養(yǎng)護(hù)，部分橋梁承載能力已不能滿足交通需求，因此需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力的評(píng)估[1-5]。荷載試驗(yàn)[6-10]是橋梁承載能力評(píng)估的主要方法，可為橋梁結(jié)構(gòu)的維修加固[11-13]方案提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁橋[14-15]為中、小跨度常用橋型，在城市道路交通中應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便和技術(shù)成熟等特點(diǎn)。該橋型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與普通簡(jiǎn)支梁橋相比，其擁有更大的承載能力。對(duì)連續(xù)型橋梁的荷載試驗(yàn)需要優(yōu)先考慮到彎矩最大的不利斷面，并對(duì)該斷面進(jìn)行靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)測(cè)試。在加載狀態(tài)下采集測(cè)試數(shù)據(jù)，與理論值進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)橋梁正常使用狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)定，以判斷其耐久性和可靠度，評(píng)估橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力。

本文以鄂鋼東西區(qū)連接公路橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合相關(guān)規(guī)范和指標(biāo)要求，對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)，在荷載作用下測(cè)試斷面的相關(guān)性能參數(shù)，并對(duì)該橋結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況

鄂鋼東西區(qū)連接公路橋全長(zhǎng)450.16 m，橋跨布置為4×40 m+5×35 m+(40+33+40) m，全橋共12孔，分三聯(lián)，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，總體布置如圖1所示。橋?qū)挒?2 m，其中行車(chē)道寬為8 m，橋兩側(cè)各設(shè)1.5 m寬的人行道，該橋?yàn)榛炷吝B續(xù)小箱梁橋，公路I級(jí)。該橋橋面設(shè)10 cm的瀝青混凝土鋪裝，在0#、12#橋臺(tái)及4#、9#橋墩處分別設(shè)有160型伸縮縫，支座分為板式橡膠支座和板式滑板橡膠支座，橋面橫坡坡度為1.5 %，由墩帽頂高程調(diào)整，橋墩為樁柱式橋墩。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)(單位：m)

2 橋梁荷載試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)評(píng)定依據(jù)

參考相關(guān)規(guī)定[16-18]，根據(jù)施工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析計(jì)算結(jié)果，確定本次荷載試驗(yàn)為靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)及振動(dòng)模態(tài)測(cè)試，評(píng)定依據(jù)分別為應(yīng)力、撓度、動(dòng)應(yīng)變、沖擊系數(shù)、振動(dòng)頻率。

2.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取第一聯(lián)4×40 m 和第三聯(lián)(40+33+40) m進(jìn)行荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)聯(lián)連續(xù)梁主梁應(yīng)力測(cè)試斷面如圖2所示，共6個(gè)斷面，在每個(gè)斷面小箱梁底板上布置6個(gè)單向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為靜測(cè)點(diǎn)1～6號(hào)，如圖3所示。在斷面1、斷面3、斷面4、斷面6橋面處左右兩側(cè)設(shè)置豎向撓度測(cè)點(diǎn)，各試驗(yàn)聯(lián)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)設(shè)置在圖中標(biāo)注的位置，以測(cè)試斷面最大正、負(fù)彎矩。在斷面1、斷面3、斷面4、斷面6處布置動(dòng)力測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為動(dòng)測(cè)點(diǎn)1～4號(hào)。

(a) 第一聯(lián)測(cè)試斷面

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

采用UCAM-60B型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集測(cè)點(diǎn)應(yīng)力；采用LEICA NA2型水準(zhǔn)儀測(cè)試橋面撓度變化；采用INV3060A型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及941B-V型拾振器進(jìn)行動(dòng)荷載試驗(yàn)的測(cè)試。

2.3 靜荷載試驗(yàn)方案

該橋靜荷載試驗(yàn)采用汽車(chē)荷載總重為400 kN，如圖4所示。試驗(yàn)各工況下所需加載車(chē)輛的數(shù)量，需根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的某工況下最不利斷面計(jì)算，其值按式(1)所定原則等效換算而得：

圖4 汽車(chē)荷載示意(單位：m)

(1)

式中，ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率；Ss為試驗(yàn)荷載作用下某工況計(jì)算效應(yīng)值；S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載不計(jì)沖擊作用時(shí)產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)值；(1+μs)為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的動(dòng)力系數(shù)。

根據(jù)所計(jì)算的靜力試驗(yàn)荷載效率，設(shè)置6個(gè)靜力測(cè)試工況，加載工況如圖5所示。工況1測(cè)試1-1斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，第1跨橋面跨中處撓度；工況2測(cè)試2-2斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力；工況3測(cè)試3-3斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，第2跨橋面跨中處撓度；工況4測(cè)試6-6斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，第12跨橋面跨中處撓度；工況5測(cè)試5-5斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力；工況6測(cè)試4-4斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，第11跨橋面跨中處撓度。

(a) 工況1、工況2加載輪位

2.4 動(dòng)荷載試驗(yàn)方案

動(dòng)荷載試驗(yàn)的自振特性測(cè)試主要測(cè)量橋梁的自振頻率、振幅和沖擊系數(shù)，分別對(duì)一、三聯(lián)的中跨和邊跨跨中位置進(jìn)行橫向和豎向的時(shí)域和頻域分析，其測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1～6號(hào)；采用一輛載重汽車(chē)達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)速駛過(guò)橋梁進(jìn)行跑車(chē)試驗(yàn)，初始車(chē)速為10 km/h，且每次試驗(yàn)車(chē)速增加10 km/h，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)共測(cè)試3次；跳車(chē)試驗(yàn)時(shí)，用一輛試驗(yàn)汽車(chē)在測(cè)試斷面位置以10 km/h速度跳過(guò)高度為5 cm的障礙，測(cè)量橋梁的沖擊響應(yīng)。

2.5 有限元模型

通過(guò)有限元軟件Midas/Civil建立了一、三聯(lián)主梁模型，如圖6所示。主梁結(jié)構(gòu)均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，第一聯(lián)共離散為161個(gè)節(jié)點(diǎn)、160個(gè)單元，第三聯(lián)共離散為114個(gè)節(jié)點(diǎn)、113個(gè)單元。對(duì)第一聯(lián)4×40 m 和第三聯(lián)(40+33+40) m進(jìn)行特征值分析，可得其一階振型的頻率分別為2.515 Hz和2.762 Hz。

(a) 第一聯(lián)模型

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

在靜力荷載試驗(yàn)下，工況1～工況6所測(cè)斷面的應(yīng)力、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和殘余應(yīng)變率的數(shù)據(jù)整理如圖7所示。

(a)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

在各個(gè)工況荷載作用下，斷面實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為3.73 MPa，理論計(jì)算值為4.42 MPa；實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為-2.38 MPa，理論計(jì)算值為-2.91 MPa，校驗(yàn)系數(shù)在0.65～0.85。由此看出，實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，表明主梁抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后測(cè)點(diǎn)最大殘余應(yīng)變率為16.7 %，未超過(guò)20 %，表明主梁可恢復(fù)彈性變形。

3.2 撓度測(cè)試結(jié)果

在靜力荷載試驗(yàn)下，工況1、工況3、工況4和工況6所測(cè)斷面的撓度、撓度校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變形的數(shù)據(jù)整理如圖8所示。

在各個(gè)工況荷載作用下，最大豎向撓度發(fā)生在第1跨，實(shí)測(cè)值為-11.0 mm，理論計(jì)算值為-14.0 mm，校驗(yàn)系數(shù)在0.75～0.85。由此看出，實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，表明主梁抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后測(cè)點(diǎn)最大相對(duì)殘余變形為10.2%，不超過(guò)20%，表明主梁可恢復(fù)彈性變形。

(a)測(cè)點(diǎn)撓度

3.3 動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鄂鋼東西區(qū)連接公路橋的自振特性試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到橋梁的自振特性數(shù)據(jù)，如表1所示?？梢钥闯?，鄂鋼東西區(qū)連接公路橋第一、三聯(lián)一階豎向振動(dòng)頻率的實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，阻尼比在正常范圍之內(nèi)。

表1 橋梁振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

跑車(chē)試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振幅測(cè)試結(jié)果如圖9所示。第一聯(lián)主梁豎向最大振幅為0.71 mm，發(fā)生在邊跨主梁跨中處，跑車(chē)車(chē)速為30 km/h；第三聯(lián)主梁豎向最大振幅為0.46 mm，發(fā)生在邊跨主梁跨中處，跑車(chē)車(chē)速為30 km/h。

跳車(chē)試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振幅測(cè)試結(jié)果如圖10所示。第一聯(lián)主梁豎向最大振幅為1.85 mm，發(fā)生在邊跨主梁跨中處；第三聯(lián)主梁豎向最大振幅為2.35 mm，發(fā)生在邊跨主梁跨中處。

(a) 豎向振幅

(a) 豎向振幅

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，沖擊系數(shù)的計(jì)算式為：

(2)

式中，f為結(jié)構(gòu)的基頻，Hz。

實(shí)測(cè)第一聯(lián)橋梁自振頻率為3.20 Hz，理論沖擊系數(shù)取值為0.19；實(shí)測(cè)第三聯(lián)橋梁自振頻率為3.55 Hz，理論沖擊系數(shù)取值為0.21，數(shù)據(jù)如表2所示，第一、三聯(lián)的理論值大于實(shí)測(cè)值。

表2 橋梁沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

(1)在靜荷載試驗(yàn)中，該橋第一、三聯(lián)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.85，撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.85，實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，表明鄂鋼東西區(qū)連接公路橋抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)試驗(yàn)靜荷載卸載后，測(cè)點(diǎn)最大殘余應(yīng)變率和相對(duì)殘余變形分別為16.7 %和10.2 %，均小于20 %，表明鄂鋼東西區(qū)連接公路橋處于彈性工作狀態(tài)。

(3)橋梁第一聯(lián)一階豎向振動(dòng)頻率計(jì)算值為2.52 Hz，實(shí)測(cè)值為3.20 Hz；第三聯(lián)一階豎向振動(dòng)頻率計(jì)算值為2.76 Hz，實(shí)測(cè)值為3.55 Hz；實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，表明鄂鋼東西區(qū)連接公路橋的剛度符合要求。第一聯(lián)理論沖擊系數(shù)為0.19，實(shí)測(cè)橋梁沖擊系數(shù)為0.12～0.16；第三聯(lián)理論沖擊系數(shù)為0.21，實(shí)測(cè)橋梁沖擊系數(shù)為0.15～0.18，表明橋梁在沖擊荷載作用下能正常運(yùn)營(yíng)。

(4)綜合分析可知，在靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)下，橋梁各項(xiàng)相關(guān)性能參數(shù)均滿足要求，鄂鋼東西區(qū)連接公路橋整體承載能力滿足公路Ⅰ級(jí)荷載要求。