雅魯河大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)及分析

葛貝德

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150081)

摘要：對(duì)黑龍江省碾景公路雅魯河大橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，根據(jù)主梁靜載試驗(yàn)、墩臺(tái)靜載試驗(yàn)以及橋梁動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度作出評(píng)估，測(cè)試結(jié)果表明該橋的強(qiáng)度儲(chǔ)備較弱，甚至出現(xiàn)承載力不足的情況，并據(jù)此對(duì)該橋的后期維修加固提出了可行的建議，可為同類型的工程提供參考。

關(guān)鍵詞：舊橋檢測(cè)；荷載試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)評(píng)定

作者簡(jiǎn)介：葛貝德，碩士，講師，哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與檢測(cè)加固。

文章編號(hào)：1672-6758(2015)07-0046-5

中圖分類號(hào)：U448.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Static and dynamic load tests of the Yalu River Bridge in Heilongjiang are carried out. According to the static load test results of the girder and pier, and the bridge dynamic load test , we made a evaluation of the bridge structure bearing capacity and stiffness . The results show that the strength of the bridge is weak, and even the bearing capacity is insufficient. Based on those tests, some suggestions for the later maintenance and reinforcement of the bridge are proposed, which can provide some reference for the same type of bridge project.

1工程概況

黑龍江省齊齊哈爾市碾景公路雅魯河大橋上部結(jié)構(gòu)為17×20米鋼筋混凝土T梁，橋梁全長(zhǎng)344米。橋面凈寬為7m+2×1m人行道，設(shè)計(jì)荷載為汽車—15級(jí)，掛車—80級(jí)，為1982年9月12日竣工的舊橋。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩。全橋外觀見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)荷載試驗(yàn)，以確定該橋能否繼續(xù)使用，確定橋梁的技術(shù)狀況等級(jí)，分析和評(píng)價(jià)既存缺陷和損傷對(duì)橋梁質(zhì)量和使用承載能力的影響，為確定結(jié)構(gòu)維修、加固或更換的優(yōu)先順序，為橋梁加固和改善橋梁的管養(yǎng)檔案提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

圖1　全橋外觀圖

2試驗(yàn)方案

根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，綜合考慮各方面因素，選取雅魯河橋第1、5、17孔，對(duì)這三孔進(jìn)行動(dòng)、靜載試驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)內(nèi)容。

(1)外觀檢查及技術(shù)評(píng)定。

包括橋梁結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)的測(cè)定、橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件表觀缺陷狀況的檢查，并對(duì)橋梁外觀使用狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定。以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)強(qiáng)度檢測(cè)，包括混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋銹蝕、保護(hù)層厚度等。[1]

(2)靜載試驗(yàn)內(nèi)容。

在保證荷載試驗(yàn)效率η在0.95~1.05的條件下，按最不利位置布載，先后采用2輛載重汽車作為試驗(yàn)荷載，共用4臺(tái)30t載重車模擬汽-15級(jí)荷載。每次加載穩(wěn)定一段時(shí)間后，采集各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。[2,3]

靜載試驗(yàn)內(nèi)容主要包括[4]：①跨中斷面撓度測(cè)試；②L/4斷面撓度測(cè)試；③跨中斷面混凝土應(yīng)變測(cè)試；④L/4斷面混凝土應(yīng)變測(cè)試；⑤支點(diǎn)斷面混凝土應(yīng)變測(cè)試；⑥動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容。

(3)動(dòng)載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

動(dòng)載試驗(yàn)包括：①結(jié)構(gòu)振動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率δ與阻尼比ζ；②結(jié)構(gòu)振型的測(cè)定，結(jié)構(gòu)的固有頻率f0；③汽車不同運(yùn)行速度時(shí)的沖擊系數(shù)μ。[5]

2.2測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試設(shè)備。

本橋上部結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土T梁，受力簡(jiǎn)單明確，計(jì)算跨徑為19.5m。選取支點(diǎn)、跨中、1/4L斷面為測(cè)試截面，如圖所示。

圖2　雅魯河大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試斷面位置圖

該橋采用了最不利受力狀態(tài)進(jìn)行了分級(jí)加載原則進(jìn)行加載，采用對(duì)主跨跨中進(jìn)行汽-15級(jí)汽車荷載加載。

B-B斷面、C-C斷面混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)采用應(yīng)變計(jì)測(cè)定，第1、5、17孔主梁梁底應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3　跨中、1/4L斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

B-B斷面、C-C斷面撓度測(cè)試采用水準(zhǔn)儀、鋼絲撓度計(jì)，第1、5、17孔主梁梁底撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4　跨中斷面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，按公路-II級(jí)荷載要求對(duì)0號(hào)、1號(hào)~16號(hào)墩，和17號(hào)臺(tái)分別進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，測(cè)試其豎向沉降值，沉降測(cè)量采用精密水準(zhǔn)儀，精度0.1mm。測(cè)試截面選定0號(hào)臺(tái)、1號(hào)~16號(hào)墩，17號(hào)臺(tái)為測(cè)試斷面進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。

圖5　測(cè)試截面

該橋橋臺(tái)及橋墩豎向沉降分別采用鋼絲撓度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，墩臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6　A-A斷面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3加載工況。

(1)靜力試驗(yàn)荷載加載工況。

荷載布置時(shí)遵照現(xiàn)行橋規(guī)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的規(guī)定，縱向根據(jù)影響線最不利加載原則，試驗(yàn)荷載工況選擇主要反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)進(jìn)行加載。

雅魯河橋橋梁試驗(yàn)工況：

工況1：橫向兩輛車偏載布置，縱向使跨中彎矩最大；如圖7所示。工況2：橫向兩輛車中載布置，縱向使跨中彎矩最大；如圖8所示。工況3：橫向兩輛車偏載布置，縱向使1/4截面彎矩最大；如圖9所示。工況4：橫向兩輛車中載布置，縱向使1/4截面彎矩最大；如圖10所示。工況5：橫向兩輛車偏載布置，縱向使距支座h/2處截面剪力最大；如圖11所示。工況6：橫向兩輛車中載布置，縱向使距支座h/2處截面剪力最大；如圖12所示。

跨中斷面(A-A斷面)試驗(yàn)偏載工況及測(cè)點(diǎn)布置：

圖7　跨中縱向偏載加載示意圖(工況1、2)(單位:m)

圖8　L/4縱向偏載加載示意圖(工況3、4)(單位:m)

圖9　跨中橫向偏載加載示意圖(工況1、2、3)(單位:m)

圖10　跨中橫向中載加載示意圖(工況2、4、6)(單位:m)

圖11　剪力效應(yīng)縱向示意圖(工況5、6)(單位:m)

支點(diǎn)斷面(A-A斷面)最大剪力加載方案，試驗(yàn)加載及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖12。

圖12　支點(diǎn)附近截面剪應(yīng)力測(cè)試圖

對(duì)于墩臺(tái)靜載試驗(yàn)，采用豎向荷載最大為加載原則，為了滿足鑒定橋梁承載能力的要求，試驗(yàn)荷載工況選擇主要反映橋臺(tái)、橋墩的最不利受力狀態(tài)進(jìn)行加載。試驗(yàn)工況7~24分別為對(duì)0號(hào)臺(tái)、1號(hào)~16號(hào)墩、17號(hào)臺(tái)進(jìn)行橫向4輛車偏心布置，分別另其豎向反力最大。

(2)動(dòng)力試驗(yàn)荷載工況。

動(dòng)載試驗(yàn)采用1輛390kN試驗(yàn)汽車為動(dòng)力試驗(yàn)荷載。模態(tài)測(cè)試采用DH-5937橋梁動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)試工況包括：(1)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率δ與阻尼比ζ；(2)結(jié)構(gòu)振型的測(cè)定，結(jié)構(gòu)的固有頻率f0；(3)汽車不同運(yùn)行速度時(shí)的沖擊系數(shù)μ，試驗(yàn)汽車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h(受現(xiàn)場(chǎng)條件、交通管制限制)的速度勻速過(guò)橋進(jìn)行激振測(cè)試沖擊系數(shù)。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果。

(1)撓度測(cè)量及校驗(yàn)系數(shù)。

(a)偏載工況

(b)中載工況 圖13　跨中荷載作用下各孔主梁撓度值(單位：0.1mm)

(a)偏載作用

(b)中載作用 圖14　L/4處荷載作用下各孔主梁撓度值(單位：0.1mm)

跨中偏載撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值1.83，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為7.18%；跨中中載撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值1.26，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為5.97%；L/4偏載撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值1.22，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為11.33%；跨中偏載撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值1.26，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為9.74%。而《規(guī)范》要求校驗(yàn)系數(shù)小于1，相對(duì)殘余變形小于20%，這說(shuō)明該橋跨中、L/4截面在試驗(yàn)過(guò)程中校驗(yàn)系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面剛度不能滿足汽-15級(jí)荷載使用要求。

(2)應(yīng)變測(cè)量及校驗(yàn)系數(shù)。

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖15　跨中偏載作用下測(cè)點(diǎn)截面應(yīng)變值(單位με)

(a)上緣應(yīng)變值

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖17　L/4處偏載作用下測(cè)點(diǎn)截面應(yīng)變值(單位με)

(a)上緣應(yīng)變值

(b)下緣應(yīng)變值 圖18　L/4處中載作用下測(cè)點(diǎn)上緣應(yīng)變值(單位με)

在試驗(yàn)荷載作用下，跨中偏載上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.5，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為10.64%；跨中偏載下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為1.36，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為2.20%；跨中中載上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.55，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為11.63%；跨中中載下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為1.03，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為1.55%；L/4偏載上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.35，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為10%；L/4偏載下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.97，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為5.87%；L/4中載上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.28，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為0%；L/4中載下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為1.27，卸載后，相對(duì)殘余變形最大為12.89%。這說(shuō)明該橋跨中、L/4截面在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面強(qiáng)度不能滿足汽-15荷載使用要求。

(3)支點(diǎn)最大剪力測(cè)量及校驗(yàn)系數(shù)。

表1　偏載作用下支點(diǎn)附近斷面應(yīng)變值(單位με)

表2　中載作用下支點(diǎn)附近斷面應(yīng)變值(單位με)

從上表可以得出，偏載作用下支點(diǎn)剪力校驗(yàn)系數(shù)最大為1.16，中載作用下支點(diǎn)剪力校驗(yàn)系數(shù)最大為0.95?！兑?guī)范》要求校驗(yàn)系數(shù)小于1；這說(shuō)明該橋第1孔T梁支點(diǎn)處斜截面抗剪強(qiáng)度不滿足汽-15級(jí)荷載使用要求。

(4)下部結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)結(jié)果分析。

兩孔雙列偏載時(shí)，12號(hào)墩左側(cè)的沉降最大，為0.5mm，小于規(guī)范允許值，且卸載豎向后沉降基本可恢復(fù)，說(shuō)明墩臺(tái)在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)，因此橋墩、橋臺(tái)的地基豎向承載力滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

(5)動(dòng)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。

實(shí)測(cè)阻尼比的大小反映了橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力，阻尼比大，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強(qiáng)，振動(dòng)衰減得快；阻尼比小，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力差，振動(dòng)衰減得慢。但阻尼比過(guò)大則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)可能存在開(kāi)裂或支座工作狀況不正常等現(xiàn)象。從測(cè)試結(jié)果可看出，雅魯河橋阻尼比分別為0.0317、0.0825、0.1616、0.1210，說(shuō)明該橋有動(dòng)力特性一般。

比較橋梁結(jié)構(gòu)頻率的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，如果實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較大，反之則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度偏小，可能存在開(kāi)裂或者其他不正?，F(xiàn)象。通過(guò)上表對(duì)實(shí)測(cè)頻率值和理論頻率值的比較可知實(shí)測(cè)頻率值比上理論頻率值分別為0.756、0.756、0.822、0.855，這說(shuō)明該橋動(dòng)剛度評(píng)定標(biāo)度為4，為差的狀況。

根據(jù)動(dòng)力沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值來(lái)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能，實(shí)測(cè)最大沖擊系數(shù)1.145小于理論值1.300，這說(shuō)明該橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能較好。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)雅魯河大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)撓度測(cè)試可知，在偏載和中載工況下，跨中、L/4跨的撓度校驗(yàn)系數(shù)均大于1，相對(duì)殘余變形均大于5%，其中L/4偏載工況時(shí)出現(xiàn)殘余變形最大值11.33%。這說(shuō)明該橋跨中、L/4截面在試驗(yàn)過(guò)程中校驗(yàn)系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面剛度不能滿足汽-15級(jí)荷載使用要求。

(2)通過(guò)應(yīng)變測(cè)試可知，跨中偏載與中載工況下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)>1，但有較低的殘余變形(不超過(guò)2.2%)；上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5左右，而殘余變形超過(guò)10%。L/4偏載和中載工況下緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在1左右，相對(duì)殘余變形較小，上緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)低于0.35，相對(duì)殘余變形則超過(guò)10%，這說(shuō)明該橋跨中、L/4截面在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足規(guī)范要求，跨中截面強(qiáng)度不能滿足汽-15荷載使用要求。

(3)經(jīng)過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)動(dòng)力參數(shù)測(cè)定，該橋動(dòng)剛度差，橋面行車性能較好。

(4)因該橋原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，經(jīng)多年使用，破損情況較嚴(yán)重，無(wú)法滿足現(xiàn)行通行要求。需要對(duì)T梁結(jié)構(gòu)采取增大截面法進(jìn)行加固處理，將T梁改為箱型結(jié)構(gòu)，以提高上部結(jié)構(gòu)的承載力；對(duì)T梁裂縫<0.15mm可采用水泥滲透結(jié)晶型防水材料(賽柏斯)進(jìn)行封閉，對(duì)裂縫>0.15mm，采取灌注裂縫專用膠進(jìn)行封閉。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)交通部.JTG60-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵計(jì)規(guī)范[S].

[2]馬超,孫韋. 評(píng)述橋梁荷載試驗(yàn)的步驟及要點(diǎn)[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2013(07)：31-33.

[3]王凌波,賀拴海,蔣培文,王鈞利. 大跨徑橋梁荷載試驗(yàn)加載方案算法設(shè)計(jì)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(02)：77-81.

[4]王靜. 連續(xù)鋼構(gòu)橋成橋荷載試驗(yàn)實(shí)施方案研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011(08)：93-97.

[5]尹彬彬,李金濤. 荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)在橋梁技術(shù)狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)建材科技，2011(05)：10-14.

Static and Dynamic Load Test and Analysis of the Yalu River Bridge

Ge Beide

(Harbin Vocational and Technical College, Harbin, Heilongjiang 150081, China)

Key words：old bridge detection; load test; structure evaluation

Class No.:U448.21Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)