鄧守國
(四川振通公路工程檢測咨詢有限公司,四川綿陽 621000)
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某石拱橋特重車輛通行安全評估
鄧守國
(四川振通公路工程檢測咨詢有限公司,四川綿陽 621000)
文章通過對空腹式石拱橋進行現(xiàn)場荷載試驗,加載效應(yīng)與擬通過特重車輛相當(dāng),對荷載試驗數(shù)據(jù)分析判斷,為石拱橋通行特重車輛的安全性進行了準(zhǔn)確評估。
石拱橋; 特重車輛; 荷載試驗; 安全評估
橋梁在現(xiàn)代交通運輸中占據(jù)著極其重要的位置,給人類帶來了許多的便捷,并促進著交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)展。如今隨著橋梁數(shù)量迅猛增長,越來越多的安全事故和安全隱患出現(xiàn)在橋梁中,給人類也帶來了巨大的損失。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,成熟的橋梁檢測及監(jiān)測手段能夠及時監(jiān)控橋梁的健康穩(wěn)定狀況,通過分析并對受損橋梁采取對應(yīng)的保護措施加固,延長橋梁的使用壽命。為橋梁竣工驗收、運營維修提供技術(shù)理論依據(jù),并通過不斷的經(jīng)驗累積,為提高我國橋梁建設(shè)的整體水平創(chuàng)造條件,為今后橋梁的養(yǎng)護管理提供有效的科學(xué)依據(jù)。
該橋位于國道212線蒼溪境內(nèi),等截面空腹式懸鏈線無鉸石拱橋,上部結(jié)構(gòu)為凈跨徑30 m的石砌板拱,下部結(jié)構(gòu)為重力式U型橋臺,橋梁全長74 m,橋面寬度=8.5 m車道+2×0.75 m護欄=10 m,橋梁建成于1996年5月。設(shè)計荷載:汽車-20級。橋梁凈跨徑30 m,凈矢高6 m,計算跨徑30.546 m,計算矢高6.108,矢跨比1/5,拱軸系數(shù)m=2.240。腹拱圈拱厚0.3 cm,凈跨徑2.4 m,凈矢高0.6,矢跨比1/4。主拱圈厚度0.8 m ,寬度9.8 m,慣性矩I=0.418 m4。
由于該橋?qū)⒂兄剡_214 t的特重車通過,為檢驗該橋在特重車荷載作用下的受力情況,確保橋跨結(jié)構(gòu)安全及特重車順利通過,需對該橋進行外觀檢測、荷載試驗及通過性能安全評估。通過有限元數(shù)值模擬分析方法,并結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗,對該橋進行了多種工況的計算與試驗分析,為該橋通過特種車輛的安全性進行了準(zhǔn)確評估,為該橋的加固處治提供可靠依據(jù)。
2.1 試驗內(nèi)容
該橋主跨為無鉸石拱橋,根據(jù)其受力特點,確定靜載試驗內(nèi)容為:
(1)跨中截面最大正彎矩加載試驗;
(2)拱腳截面最大負彎矩加載試驗。
2.2 靜載試驗測點布置
(1) 應(yīng)力測點:在跨中截面主拱圈下緣布置5個測點,拱腳截面主拱圈下緣布置5個測點,共計10個應(yīng)力測點;
(2) 撓度測點:沿橋面中線在撓度測試位置(四分點和跨中)處各布置1個測點,共計3個撓度測點。
2.3 靜載試驗測試方法
在靜載試驗設(shè)計前,首先對待試驗橋梁進行荷載試驗計算分析,計算該橋在特重車荷載作用下結(jié)構(gòu)的活載效應(yīng)。
2.3.1 試驗荷載確定原則
在計算分析的基礎(chǔ)上,本次靜力試驗荷載采用載重汽車充當(dāng),就某一檢驗項目而言,所需車載重量,根據(jù)特重車荷載產(chǎn)生的該檢驗項目(內(nèi)力和位移等)的最不利效應(yīng)值,宜滿足下式所定原則等效換算而得:
式中:ηq為靜載試驗效率系數(shù);Ss為試驗荷載作用下某一檢驗項目最大計算效應(yīng)值;S為設(shè)計控制荷載作用下該檢驗項目的最不利計算效應(yīng)值;μ為設(shè)計取用的沖擊系數(shù)。
試驗截面特重車荷載作用產(chǎn)生的最大等效計算彎矩及試驗彎矩見表1。荷載效率系數(shù)為1.01~1.02,滿足檢測規(guī)程建議的0.95~1.05的范圍。
表1 試驗截面試驗彎矩、計算彎矩及荷載效率系數(shù)
2.3.2 試驗加載方式與加載分級
為了獲得結(jié)構(gòu)試驗荷載與變位關(guān)系的連續(xù)響應(yīng)和防止結(jié)構(gòu)意外損傷,加載方式為單次逐級遞加到最大荷載,然后卸載到零級荷載,再滿載回零。
2.3.3 靜載試驗測試流程及數(shù)據(jù)處理
按工況并以輪位圖加載,測量應(yīng)力、撓度等數(shù)據(jù)。采用首先用50 %試驗荷載預(yù)載,然后逐級加載。
為實現(xiàn)對加載試驗的實時控制,保證結(jié)構(gòu)安全,在試驗過程中及時地將實測控制數(shù)據(jù)及應(yīng)力、撓度等換算處理,并與試驗設(shè)計計算值進行比較,以判斷試驗荷載下的結(jié)構(gòu)工件作性能。
2.4 靜載試驗測試結(jié)果
2.4.1 撓度測試結(jié)果
該橋各試驗截面在荷載作用下,撓度實測值與計算值的比較分析見表2。
該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.46~0.55,拱腳截面最大負彎矩加載工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.10~0.24,均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中校驗系數(shù)η≤1.0的規(guī)定。
表2 各加載工況下?lián)隙葘崪y值與計算值的比較分析
注:表中撓度數(shù)據(jù)向上為負值,向下為正值。
2.4.2 應(yīng)變測試結(jié)果
該橋各試驗截面在荷載作用下,應(yīng)變實測值與計算值的比較見表3。
表3 各加載工況下應(yīng)變實測值與計算值的比較
注:表中應(yīng)變受拉為“+”,受壓為“-”。
該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.55,拱腳截面最大負彎矩加載工況下應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.49,均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中校驗系數(shù)η≤1.0的規(guī)定。
在靜載試驗過程中,對梁體進行觀察,梁體表面無新裂紋產(chǎn)生,舊裂縫未開展,未見其他異?,F(xiàn)象,結(jié)構(gòu)在試驗荷載下接近彈性受力狀態(tài)。
3.1 動載試驗內(nèi)容
選取橋梁主跨進行動力荷載試驗,試驗內(nèi)容為:
(1)脈動試驗,用于測定試驗橋跨結(jié)構(gòu)固有振動特性,包括頻率、振型和阻尼比;
(2)無障礙行車試驗,主要用于測定試驗橋跨跨中截面,模擬橋面鋪裝層完好情況下,橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動載響應(yīng)和沖擊系數(shù);
(3)跳車試驗,主要用于測定試驗橋跨跨中截面,模擬橋面鋪裝局部損傷的情況下,橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動載響應(yīng)和沖擊系數(shù)。
3.2 動載試驗測點布置
(1)脈動試驗,測定橋跨結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及阻尼比。沿橋面中線四分點和跨中各布置1個測點,共計3個測點。
(2)無障礙行車試驗,測試截面在行車(5~20 km/h)激振下的動應(yīng)力及動力增大系數(shù)(沖擊系數(shù))。
(3)跳車試驗,測試截面在跳車(5~10 km/h)激振下的動應(yīng)力及動力增大系數(shù)(沖擊系數(shù))。
動應(yīng)力測點:在試驗跨跨中截面主拱圈底面中位置布置1個動應(yīng)力測點。
3.3 動載試驗測試方法
3.3.1 脈動試驗
在橋面無交通荷載、橋梁附近無規(guī)則振源的情況下,測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動或水流等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)。脈動試驗主要測定橋跨結(jié)構(gòu)固有頻率、振型和臨界阻尼比。
3.3.2 無障礙行車試驗
無障礙行車試驗,在橋面無任何障礙的情況下,用1輛重載汽車(重400 kN)沿橋面中線,以5 km/h、10 km/h等速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu),測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。
3.3.3 跳車試驗
跳車試驗,模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)下,橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。其基本荷載及作用方法與無障礙行車試驗相同;而模擬橋面鋪裝局部損傷的方法,是在橋跨結(jié)構(gòu)橋面適當(dāng)位置設(shè)置橫斷面為高7.5 cm、底寬30 cm的三角形木板制作的障礙物,實現(xiàn)對橋面損傷后凹凸起伏的典型化模擬。
3.4 動載試驗測試結(jié)果
3.4.1 自振特性測試結(jié)果
自振特性的測試采用環(huán)境激勵法,對測試結(jié)果進行模態(tài)分析,實測豎向1階振型;從中可以看出,橋跨結(jié)構(gòu)豎向1階實測頻率f1=9.48 Hz,豎向1階頻率實測值與理論計算 值的比值f1/[f1]=9.48/8.08=1.17,表明橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能良好;實測阻尼比為3.51 %,表明結(jié)構(gòu)有較好的耗散外部能量輸入的能力。
3.4.2 激振試驗
激振試驗分為行車激振和跳車激振,在不同車速下橋跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)見表4。對實測沖擊系數(shù)進行分析可以看出:
表4 橋跨結(jié)構(gòu)行車、跳車沖擊系數(shù)
(1)沖擊系數(shù)理論計算值為0.35,實測行車沖擊系數(shù)在0.09~0.24,均小于理論計算值;
(2)跳車沖擊系數(shù)在0.43~0.86,說明橋面局部破損狀態(tài)下,車輛沖擊對橋跨結(jié)構(gòu)影響較大,須定期觀測橋面鋪裝工作情況,如果橋面鋪裝破損較嚴重,則應(yīng)立即封閉交通進行處理。
(1) 該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.46~0.55,拱腳截面最大負彎矩加載工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.10~0.24,均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中校驗系數(shù)η≤1.0的規(guī)定;
(2) 該橋跨中截面最大正彎矩加載工況下應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.55,拱腳截面最大負彎矩加載工況下應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.49,均符合JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中校驗系數(shù)η≤1.0的規(guī)定;
(3)該橋豎向1階實測頻率f1=9.48 Hz, 實測阻尼比為3.51 %,豎向1階頻率實測值與理論計算值的比值f1/[f1]=9.48/8.08=1.17,表明橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能良好;
(4)沖擊系數(shù)理論計算值為0.35,實測行車沖擊系數(shù)在0.09~0.24,均小于理論計算值;跳車沖擊系數(shù)在0.43~0.86,說明橋面局部破損狀態(tài)下,車輛沖擊對橋跨結(jié)構(gòu)影響較大,須定期觀測橋面鋪裝工作情況,如果橋面鋪裝破損較嚴重,則應(yīng)立即封閉交通進行處理。
(5)本文結(jié)合荷載試驗分析,對該石拱橋通行特重車輛的安全性做出了全面評估,為該橋的加固維修提供了準(zhǔn)確依據(jù),為類似橋梁的安全評估作借鑒參考。
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鄧守國(1979~),男,本科,工程師,從事公路工程質(zhì)量檢測和質(zhì)量監(jiān)督工作。
U446.3
B
[定稿日期]2017-04-14