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        既有中承式鋼筋混凝土拱橋的狀態(tài)評(píng)估

        2012-09-06 06:30:00刁文菊
        黑龍江交通科技 2012年10期
        關(guān)鍵詞:楓香實(shí)測(cè)值拱橋

        刁文菊,白 嵩,羅 曦

        (重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心)

        拱橋在我國橋梁工程上使用廣泛且歷史悠久。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,橋梁設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的顯著提高。近些年間,逐漸修建了許多跨徑較大、造型新穎的拱橋結(jié)構(gòu)。中承式鋼筋混凝土拱橋是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)型式,得到了大力的推廣。然而,隨著使用年限的增長,以及自然因素和車輛(甚至超載)的影響,橋梁損傷種類和損傷部位越來越多,其程度越來越嚴(yán)重。

        1 工程概況

        楓香灣大橋位于貴州省湄潭縣湄江河楓香灣,楓香灣大橋立面布置圖見圖1。該橋?yàn)橹谐惺戒摻罨炷凉皹颍珮蜷L128 m=2×8 m(鋼筋混凝土空心板)+92 m中承式鋼筋混凝土吊桿拱+2×8 m(鋼筋混凝土空心板),主拱矢度F0=L0/4=23 m。吊桿體系由15根工字鋼組成,工字鋼型號(hào)為I25b,橋面系兩端各3根拱上立柱,鋼筋混凝土立柱尺寸為1.0 m ×0.6 m。橋面凈寬:16 m=9 m(行車道)+2×3.5 m(人行道),該橋運(yùn)營已經(jīng)超過15年,目前部分吊桿出現(xiàn)銹蝕,橫梁多處出現(xiàn)裂縫,同時(shí),車輛通過大橋時(shí),橋梁振動(dòng)反應(yīng)明顯。

        設(shè)計(jì)荷載:汽車—超20,掛車—120,人群荷載3.5 kN/m2。

        圖1 橋梁立面布置圖

        2 混凝土強(qiáng)度及碳化深度檢測(cè)

        抽取拱座布置混凝土回彈測(cè)區(qū)?;炷粱貜棞y(cè)區(qū)均為20 cm×20 cm正方形,每個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)試16個(gè)測(cè)點(diǎn),并在每10個(gè)回彈測(cè)區(qū)中選取3個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)試混凝土碳化深度。檢測(cè)結(jié)果詳見表1。

        由上表1可以得出,主拱圈的實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度在57.5~58.2 MPa之間,達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土 C40強(qiáng)度要求,橫系梁的實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度在56.8~57.8 MPa之間,達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C40要求,拱上立柱的實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度為43.8 MPa,達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C30要求。

        表1 混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

        3 全橋有限元損傷模型的建立

        楓香灣大橋?yàn)橹骺?2 m的等截面拱橋。根據(jù)實(shí)測(cè)值擬合其拱軸線,按懸鏈線擬合的誤差相對(duì)較小,與實(shí)測(cè)線形吻合較佳,與實(shí)測(cè)值對(duì)比如下圖2。

        圖2 懸鏈線擬合拱圈線形

        結(jié)構(gòu)分析中采用懸鏈線擬合的拱軸線形。結(jié)合橋梁的病害特征,考慮混凝土的收縮徐變的影響和正常運(yùn)營下的溫度影響,建立結(jié)構(gòu)有限元損傷模型。

        4 靜力性能分析

        根據(jù)橋梁特點(diǎn)和計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)橋梁的靜力性能試驗(yàn)共分四個(gè)工況進(jìn)行。

        工況一:拱頂最大正彎矩工況(正載)。

        工況二:拱頂最大正彎矩工況(上游偏載)。

        工況三:L/4截面最大正彎矩工況(上游偏載)。

        工況四:拱腳截面最大負(fù)彎矩工況(上游偏載)。

        其測(cè)試結(jié)構(gòu)分別列于下表2、表3中。

        表2 各控制截面實(shí)測(cè)應(yīng)變與計(jì)算值對(duì)比表

        表3 各控制截面實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算值對(duì)比表

        由以上量表可以看出:拱頂截面在各工況中實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值,應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.41~0.56之間,撓度校驗(yàn)系數(shù)在在0.29~0.41之間,L/4截面在各工況中實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值,應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.54 ~0.67 之間,撓度校驗(yàn)系數(shù)在在0.3 ~0.31 之間,拱腳截面在各工況中實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力值均低于理論計(jì)算值,應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.63~0.68之間。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求,卸載后相對(duì)殘余應(yīng)變及撓度小于0.2表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段,加載過程中測(cè)試截面未出現(xiàn)開裂。拱肋結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),抗彎剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并有一定的安全儲(chǔ)備。

        5 動(dòng)力性能分析

        利用橋梁有限元分析程序?qū)飨銥炒髽蜻M(jìn)行動(dòng)力特性分析,求解其前三階自振頻率、振型,通過與實(shí)測(cè)結(jié)果比較,對(duì)結(jié)構(gòu)整體縱向、橫向剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。

        通過對(duì)自然激勵(lì)響應(yīng)測(cè)得數(shù)據(jù)的模態(tài)辨識(shí),得到模態(tài)基頻和阻尼比,結(jié)果如表4。

        表4 模態(tài)參數(shù)實(shí)測(cè)值及計(jì)算值

        用重320 kN的試驗(yàn)車分別以10 km/h,20 km/h,30 km/h,40 km/h的速度通過橋梁指定橋跨做跑車試驗(yàn),橋跨在L/4、L/2處豎向振動(dòng)時(shí)域、頻域響應(yīng)值匯于下表5。

        表5 控制截面豎向振動(dòng)時(shí)域、頻域響應(yīng)值匯總表

        通過以上兩表表分析可得:橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)一階頻率為2.15 Hz,對(duì)不同速度跑車響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析得到主要頻率成份為2.39 Hz,由兩種不同動(dòng)載試驗(yàn)所得頻率綜合分析,得出橋梁一階自振頻率實(shí)測(cè)值為2.39 Hz,跑車試驗(yàn)引起的L/4、L/2處最大振幅分別為1.80 mm和1.7 mm。實(shí)測(cè)值稍大于理論計(jì)算值,結(jié)合靜力性能分析可判定,結(jié)構(gòu)剛度仍然處在較好的狀態(tài)。

        6 結(jié)論

        通過以上對(duì)楓香灣大橋靜力性能和動(dòng)力性能的分析可知該橋的整體承載力和工作性能目前能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但該橋的主梁與橫系梁連接處發(fā)現(xiàn)有裂縫存在,減小了橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性,為橋梁的正常使用埋下了隱患。應(yīng)采取積極的措施予以治理,以消除安全隱患。通過對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的工作性能給予正確的評(píng)價(jià),對(duì)橋梁的可靠性進(jìn)行鑒定,不僅對(duì)該橋,而且對(duì)同類現(xiàn)有橋梁的正常使用、維護(hù)和加固改造均具有一定參考價(jià)值。

        [1]范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下冊(cè))[M].人民交通出版社,2001.

        [2]汪斌,陳志忠,蔡敏.混凝土拱橋靜載試驗(yàn)及仿真分析[J].工程與建設(shè),2006,20(3):181-183.

        [3]杜國華.橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,1994.

        [4]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

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