耿 澤，孫亞民，裴存棟

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

引言

近年來，隨著公路運輸壓力的不斷增加，對設(shè)計、在建、在役及技術(shù)加固后的橋梁質(zhì)量要求越來越高，特別是新的設(shè)計理論、設(shè)計思想、施工技術(shù)不斷應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)中，橋梁結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，跨徑越來越大，對橋梁進行荷載試驗，確定其結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，檢測橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計荷載作用下的工作要求，便顯得尤為重要［1］。

拱橋造型優(yōu)美，承載能力大，主跨200 m以上的特大跨徑鋼筋混凝土拱橋并不多見，本文以福建省境內(nèi)某特大跨徑鋼筋混凝土拱橋為研究對象，建立空間模型，參考已得到的橋梁技術(shù)評定結(jié)果，分析得出其在靜力荷載作用下的控制截面應(yīng)力和撓度計算值，及主體結(jié)構(gòu)自振頻率特性、行車動力響應(yīng)結(jié)果，與實際加載的實測值進行比較，從而評價該橋的健康狀況。

1 橋梁概況

該橋設(shè)計方案為:5×20 m預(yù)應(yīng)力空心板+1×228.2 m鋼筋混凝土箱型拱(主拱凈距204.959 m)+3×20 m預(yù)應(yīng)力空心板(全橋橋長405.4 m)，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.875，其中主孔采用單箱三室節(jié)段預(yù)制。橋面橫坡2%，橋面總寬10 m，橋面布置:0.5 m(防撞欄桿)+9 m(行車道)+0.5 m(防撞欄桿)。橋梁設(shè)計汽車荷載等級為公路—I級。拱上結(jié)構(gòu)跨度布置采用12.66 m、12.68 m兩種跨度形式，共布置18孔，橋面系由8片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁組成，拱座設(shè)計為重力式鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)。根據(jù)該橋的設(shè)計說明，主拱圈、預(yù)應(yīng)力空心板采用C50混凝土，立柱及帽梁等其它拱上建筑采用C30混凝土，彈性模量取Ec=3.45×104MPa。該橋已使用超過5年，通過《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)對橋梁各部件進行等級評定，該橋評定為3類橋。

2 有限元模型的建立

主橋力學(xué)模型采用有限元軟件Midas Civil 2012參考設(shè)計圖紙建立有限元模型。建模時，利用拱建模助手建立拱肋形狀，采用空間梁格法模擬橋面板，空心板的鉸接縫通過釋放梁端約束來模擬，橫向虛擬聯(lián)系梁的截面特性與空心板保持一致，拱腳處固結(jié)，立柱與拱肋之間的約束采用主從關(guān)系來模擬，蓋梁與立柱、橋面板之間的約束采用彈性連接模擬，將車輪荷載作為集中力處理［2］。

各承重構(gòu)件的計算采用計入普通鋼筋的換算截面，全橋共分2181個節(jié)點和2588個單元。本文利用Anil K C［3］的對稱三角形脈沖力理論，通過軟件模擬不同速度的汽車車列，以分析無障礙行車試驗，具體模型如圖1所示。

圖1 拱橋有限元模型

3 試驗方案

3.1 靜載試驗方案

橋梁靜載試驗主要通過測定橋跨結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下控制斷面的應(yīng)力和撓度，從而推斷出橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實際工作狀態(tài)，評定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力是否達(dá)到設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)，檢驗成橋后結(jié)構(gòu)強度、靜剛度、穩(wěn)定性和抗裂性等［4］。

3.1.1 測試斷面及測點布置

(1)測試斷面

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)［5］(以下簡稱《規(guī)程》)中有關(guān)拱橋加載測點位置的規(guī)定及參考試驗現(xiàn)場情況，選取拱橋拱頂截面和拱腳截面作為測試斷面。測試斷面如圖2所示。

(2)測點布置

圖2 控制截面布置圖

荷載試驗的測點布置根據(jù)結(jié)構(gòu)受力最不利位置和試驗現(xiàn)場條件進行布置。各測試斷面主要布置應(yīng)變和撓度測點。測點布置如圖3、圖4和圖5所示，其中13號測點為動應(yīng)變測點。

圖3 S1截面處空心板應(yīng)變和撓度測試點布置圖

圖4 拱頂處拱肋上應(yīng)變測試點布置圖(單位:cm)

圖5 拱腳截面拱肋上應(yīng)變測試點布置圖(單位:cm)

3.1.2 靜載試驗內(nèi)容

(1)工況一:拱頂截面最大正彎矩中載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋向?qū)ΨQ布載。

(2)工況二:拱頂截面最大正彎矩偏載工況。順橋向按拱頂截面最大正彎矩的最不利位置布載，橫橋偏載。

(3)工況三:拱腳截面最大負(fù)彎矩中載工況。順橋向按拱腳截面最大負(fù)彎矩的最不利位置布載，橫橋向?qū)ΨQ布載。

3.1.3 試驗荷載

此橋試驗共需加載車4輛，加載車輛總重為35 t的三軸自卸車，軸重分配為14 t，14 t，7 t。為實現(xiàn)對加載試驗的實時控制，保證結(jié)構(gòu)安全，在試驗過程中，加載車輛分級加載，及時將實測控制數(shù)據(jù)及應(yīng)力、撓度等換算處理，并與計算值進行對比，以判斷試驗荷載下的結(jié)構(gòu)性能。由《規(guī)程》的規(guī)定，本文利用內(nèi)力等效原則確定靜力荷載試驗效率，測試的工況及荷載試驗效率見表1。

表1 加載效率表

3.2 動載試驗方案

橋梁動載試驗主要包括主體結(jié)構(gòu)自振特性測試、行車動力響應(yīng)測試。測試參數(shù)包括自振頻率、振型、阻尼比和沖擊系數(shù)，檢驗橋梁的動剛度和行車性能是否滿足要求［6］。動應(yīng)變測試位置選擇在拱肋拱頂截面。

3.2.1 自振特性

采用頻域法中峰值拾取法，也是目前橋梁模態(tài)識別的主要方法，該操作簡單、識別快，利用環(huán)境激勵下的響應(yīng)信號識別模態(tài)參數(shù)，無需激振設(shè)備［7-9］，用高精度超低頻加速度傳感器做拾振器，使用DHMA模態(tài)軟件分析該橋的自振特性，得到該橋的動力參數(shù)，進而對橋梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)和工作性能進行評估。

3.2.2 無障礙行車試驗

采用1輛總重約為35 t的載重汽車，在橋面上無任何障礙的情況下，受到篇幅限制，以30 km/h、40 km/h的速度駛過橋跨結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，利用動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器配便攜計算機測試測點應(yīng)變在時域中的變化，根據(jù)控制截面測點在行車試驗時記錄的動應(yīng)變曲線進行分析處理計算活載沖擊系數(shù)。

3.3 靜、動剛度

隨著服役期的增長，橋梁結(jié)構(gòu)性能會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)動力特性也會有較大的變化，動剛度EID會受到更多更復(fù)雜的因素影響，如橋梁邊界約束條件的變化，其值與梁在靜力作用下的剛度EIS明顯不同，賀栓海、宋一凡等對此做了大量研究［10-12］。結(jié)構(gòu)的振動特性反映的是整體結(jié)構(gòu)，與單梁沒有明顯的聯(lián)系。隨著荷載的增加，梁的靜、動剛度也不斷降低，其降低的速率不同，如矩形梁靜剛度始終大于動剛度，但T梁靜、動剛度減小速率與矩形梁相反，T梁靜剛度有可能大于其動剛度。鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)工作機理還未得到透徹揭示，本文為拱橋體系提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 靜載試驗結(jié)果與分析

各測點變形(或應(yīng)變)計算公式:

式中，St、Se和Sp分別為試驗荷載作用下量測的結(jié)構(gòu)總變形(或總應(yīng)變)值、結(jié)構(gòu)彈性變形(或應(yīng)變)值和結(jié)構(gòu)殘余變形(或應(yīng)變)值;Si為加載前的測值;Sl為加載達(dá)到穩(wěn)定時的測值;Su為卸載后達(dá)到穩(wěn)定時的測值［13］。

4.1.1 撓度分析

利用精密水準(zhǔn)儀對橋面兩邊撓度測點進行測量，利用試驗荷載(滿載)作用下?lián)隙仍跇蛎鎯蛇叺姆植记闆r，得到控制截面的靜剛度特性，橋面撓度校驗系數(shù)見表2。

表2 工況一撓度分析結(jié)果

測試結(jié)果表明，實測最大的撓度均小于有限元計算值，撓度校驗系數(shù)為0.64、0.70、0.81 和0.54，滿足《規(guī)程》中小于1的要求，由此說明在試驗荷載作用下S1和S2測試截面的靜剛度EIS滿足設(shè)計要求。橋面相對殘余撓度較大與橋梁的技術(shù)狀況不良，梁板存在多條裂縫相吻合。

4.1.2 應(yīng)變分析

拱肋各測點的實測數(shù)據(jù)見表3。拱肋應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足《規(guī)程》中不大于1的要求，說明在試驗荷載下，拱肋強度滿足設(shè)計要求。拱肋相對殘余應(yīng)變均超過《規(guī)程》中20%的規(guī)定，說明拱肋在試驗荷載作用下彈性狀態(tài)不佳，在較大的車輛荷載下，拱肋會發(fā)生塑性變形。

表3 拱肋應(yīng)變校驗系數(shù)

4.2 動載試驗結(jié)果與分析

4.2.1 自振特性結(jié)果與分析

(1)實測自振特性

利用DHMA模態(tài)軟件計算自振特性，如圖6～圖8所示，自振頻率、阻尼比及振型特征說明見表4。

圖6 自振特性測試時程曲線

圖7 自振特性測試幅值曲線

圖8 豎向1階模態(tài)試驗分析結(jié)果

表4 動力分析實測結(jié)果

(2)有限元計算自振特性

由Midas Civil 2012軟件計算得到本橋自振頻率和振動特征。

(3)實測結(jié)果與有限元計算對比分析

由于該橋空心板、拱肋及拱座存在著較多裂縫，部分支座缺失，全橋剛度必定受到影響，豎向振動實測頻率0.98明顯小于計算值1.12(表5)，說明實際的動剛度小于計算剛度，結(jié)構(gòu)剛度稍有削弱［14-15］，振型特征一致，由時域曲線分析結(jié)果可以看出，橋梁振動阻尼系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)耗能較快(圖9)。

表5 動力分析計算結(jié)果

圖9 豎向1階振型計算結(jié)果

4.2.2 無障礙行車試驗結(jié)果分析

(1)實測行車試驗

大橋行車試驗中動應(yīng)變測試的結(jié)果如圖10所示。

圖10 實測動應(yīng)變時程曲線

由動應(yīng)變曲線計算出各工況的實測沖擊系數(shù)，進行加權(quán)處理后分別為 0.05，0.11。

(2)有限元計算行車試驗

通過Anil K C的對稱三角形脈沖力理論，本文利用Midas Civil軟件計算得到應(yīng)力時程曲線，進行加權(quán)處理后得到?jīng)_擊系數(shù)0.03和0.08，如圖11所示。

圖11 應(yīng)力時程曲線

將各工況的沖擊系數(shù)實測值與計算值對比，見表6。計算值和實測值較接近，由于部分墩頂負(fù)彎矩較大，導(dǎo)致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，沖擊系數(shù)的實測值比計算值稍大。

表6 沖擊系數(shù)實測值及計算值分析比較

(3)行車試驗校驗系數(shù)結(jié)果分析

行車試驗校驗系數(shù)結(jié)果分析見表7。對比行車試驗中測點最大實測和計算的響應(yīng)值，橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，行車試驗的結(jié)果與靜載試驗結(jié)果也較接近，試驗結(jié)果可靠。

表7 校驗系數(shù)

5 結(jié)論

該橋的技術(shù)狀況評定為3類橋，通過現(xiàn)場試驗、試驗數(shù)據(jù)以及試驗結(jié)果的分析，可得到以下4點結(jié)論:

(1)靜載試驗結(jié)果表明，該橋的撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明測試截面S1和S2的靜剛度和強度均滿足設(shè)計要求，但大部分殘余值超過20%，根據(jù)該橋出現(xiàn)的裂縫和其他技術(shù)狀況，在較大車輛荷載下，會發(fā)生塑性變形。

(2)自振特性分析結(jié)果表明，由于該橋空心板、拱肋、拱座和防撞護欄存在著較多裂縫，多跨部分支座喪失功能，邊界條件發(fā)生較大變化，全橋剛度必定受到影響，豎向振動實測基頻小于計算值，說明實際橋梁的動剛度小于計算剛度。

(3)沖擊系數(shù)結(jié)果表明，由于部分墩頂負(fù)彎矩較大，導(dǎo)致橋面鋪裝存在多條橫向裂縫，無障礙行車得到的沖擊系數(shù)略高于計算值，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)直接關(guān)系到橋梁的安全和經(jīng)濟性能，這種現(xiàn)象會縮短橋梁的行駛壽命，并加劇路面的破壞［16］。

(4)行車試驗校驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在動載試驗中，橋梁具有一定的安全儲備。

由于該橋在外觀檢測中發(fā)現(xiàn)多跨簡支空心板梁的支座脫空、剪切變形嚴(yán)重、支座偏位嚴(yán)重，拱座出現(xiàn)較多裂縫，邊界條件發(fā)生較大變化，導(dǎo)致動力特性中的動剛度降低幅度比靜剛度大，該橋尚能維持正常使用，但試驗數(shù)據(jù)分析出的問題與該橋技術(shù)狀況有關(guān)。

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