徐華鑫
(1.甘肅路橋建設(shè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730000;2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,甘肅蘭州 730030)
橋梁的承載力一般通過測試橋跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度來反應(yīng),橋梁的承載力指標(biāo)是指在最不利條件下結(jié)構(gòu)的綜合反應(yīng),橋跨結(jié)構(gòu)最不利的條件是荷載試驗最關(guān)鍵部分。因此,測試關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變形是整個橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[1]。
橋梁的承載力指標(biāo)主要包括強度,剛度,穩(wěn)定性,動態(tài)響應(yīng)和動態(tài)特性,不同的類型的橋梁結(jié)構(gòu),荷載試驗測試的承載力指標(biāo)有所不同[2]。因此,在籌備荷載試驗方案時,應(yīng)通過分析反映載荷試驗內(nèi)容,以反映結(jié)構(gòu)承載力指標(biāo)。因此,荷載試驗最終的目的就是了解橋梁結(jié)構(gòu)的具體的受力情況,確保橋梁在運營過程中安全,保障人身安全和財產(chǎn)安全[3]。
橋梁位于國道212 線上,橋梁中心樁號K077+621.00,橋梁平面位于直線線路上;橋梁工程全長67.4m,橋跨結(jié)構(gòu)采用3m×15m 的圬工拱,橋梁工程建造于1972 年。橋面鋪裝為瀝青混凝土。橋跨主拱圈及腹拱圈均采用預(yù)制混凝土塊砌筑,主拱圈寬度8.0m,厚度0.7m,矢高2.2m。橋梁設(shè)計荷載等級為汽-20,掛-100。橋梁工程全景如圖1 所示。
圖1 橋梁全景圖
根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》要求,依拱橋的受力性能[4],最終確定蘭州側(cè)孔跨跨中(CC 截面)和距拱腳50cm 處截面(A-A 截面)作為檢測控制截面,以此來觀察橋梁在正常情況下,控制截面處的結(jié)構(gòu)受力與變形行為??刂平孛嫒鐖D2 所示。按照檢測項目及檢測任務(wù)要求,根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點和理論計算結(jié)果,測點布置如下:
靜態(tài)應(yīng)變測點 在A-A 截面自中線向兩側(cè)每間隔1.6m 布置1 個應(yīng)變測點,共計5 個應(yīng)變測點,應(yīng)變測點編號以面向蘭州方向自左向右編號,依次為A-1~A-5。
圖2 控制截面示意圖(單位:m)
靜態(tài)撓度測點 在B-B 截面自中線向兩側(cè)每間隔1.6m 布置一個位移測點,共計5 個位移測點,位移測點編號以面向蘭州方向自左向右編號,依次AW-1~AW-5。測點布置詳如圖3 所示。
圖3 A-A 截面測點布置圖和C-C 截面測點布置圖
對荷載試驗橋梁,根據(jù)相關(guān)要求計算出各檢測截面的最大設(shè)計內(nèi)力值,以此來觀察各檢測截面在最不利設(shè)計荷載作用下的不同變形[6],根據(jù)靜力等效原則,根據(jù)試驗荷載類型的實際情況,通過計算來確認(rèn)具體的試驗荷載總值以及加載方式[7]。
1)確定試驗荷載的原則。一般情況下,試驗橋梁的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、現(xiàn)有的病害以及運營承載力和結(jié)構(gòu)耐久力是通過靜載荷試驗方法來確認(rèn),以此來正確確認(rèn)試驗橋梁結(jié)構(gòu)的安全性,橋梁運營能力。根據(jù)交通運輸部公路科學(xué)研究所編制的《大跨度混凝土橋梁試驗方法》,交通運輸部公路局技術(shù)部和公路規(guī)劃設(shè)計研究院的建議,通常使用基本荷載。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,從車輛載荷中選擇橋梁的試驗載荷。為了準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)行為,靜態(tài)試驗載荷產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)與設(shè)計載荷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)(靜載荷試驗效率ηq)之比應(yīng)滿足以下范圍:
其中:ηq——靜載試驗效率(ηq=Sj/Ss);
Sj——試驗荷載作用下典型位移/內(nèi)力計算值;
Ss——設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下典型位移/內(nèi)力計算值(應(yīng)考慮空間作用與動力系數(shù))。
2)試驗荷載構(gòu)成。橋梁荷載試驗加載方式主要是采用載重汽車,荷載試驗車輛的具體技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 試驗加載車輛參數(shù)清單
3)加載工況與試驗荷載效率。通過不同加載方式四種工況進(jìn)行荷載試驗,根據(jù)試驗荷載的等效并從提高試驗測試工作的效率考慮,按下面四種加載方式進(jìn)行橋梁荷載試驗:
工況1—C-C 截面處的豎向撓度最不利縱向布載-左偏載;工況2—C-C 截面處的豎向撓度最不利縱向布載-右偏載;工況3—A-A 截面處的彎矩最不利縱向布載-左偏載;工況4—A-A 截面處的彎矩最不利縱向布載-右偏載。各工況車輛具體布置位置如圖4~7 所示。
按照試驗車輛具體的實際技術(shù)參數(shù)及加載布置方式,得出了荷載效率系數(shù),結(jié)果見表2。
表2 主拱各截面設(shè)計最大效應(yīng)和試驗荷載效應(yīng)
3.3.1 理論計算
根據(jù)試驗橋梁結(jié)構(gòu)的特點,采用桿系結(jié)構(gòu)建立橋梁的平面分析模型,根據(jù)設(shè)計荷載來計算橋跨結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下的縱向試驗位置及在水平方向上最不利的位置。根據(jù)確定的縱向試驗位置和橫向位置后,利用試驗橋梁的結(jié)構(gòu)特點建立ANSYS有限元模型來計算監(jiān)測點的理論位移和應(yīng)力。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特征,實體元素用于理論分析。根據(jù)實際車輪位置和軸重將測試載荷施加到單元表面。理論分析和計算由ANSYS 完成。實體模型如圖8 所示,有限元空間分析模型如圖9 所示。
圖8 橋梁實體模型
圖9 有限元模型
3.3.2 試驗結(jié)果分析
(1)結(jié)構(gòu)撓度/變形特性。通過試驗檢測,試驗橋梁的各測點撓度的實測值、理論值和撓度校驗系數(shù)見表3~5 位移測試分析。
表3 橋梁測點位移觀測值、計算值及校驗系數(shù)
表4 位移平均校驗系數(shù)匯總表
表5 位移相對殘余匯總表
在不同試驗工況下,位移校驗系數(shù)最大值為1.180,最小值為0.953,平均撓度校驗系數(shù)值為1.092,根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)查得的鋼筋混凝土梁橋的撓度檢驗系數(shù)一般在0.50≤ηw≤0.90 之間,試驗橋梁的撓度檢驗系數(shù)不符合混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。
通過理論分析值與具體荷載試驗實測值的對比發(fā)現(xiàn):在試驗荷載作用下,各檢測位置處的撓度校驗系數(shù)在0.953~1.180 之間,平均值1.092,大于JTG/T J21-2011 規(guī)定的限值。
在試驗荷載作用下,試驗孔跨撓度相對位移殘余變形平均值為24.68%,大于JTG/T J21-2011 規(guī)定的限值(20%),表明橋跨結(jié)構(gòu)常處于彈塑性工作狀態(tài)。
(2)板底裂紋特性。在試驗荷載作用下,板底最大裂縫寬度由1.15 增大至1.5mm,貫通板寬,裂紋超限。
(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變特性。通過試驗檢測,試驗橋梁的各測點應(yīng)變的實測值、理論值和撓度校驗系數(shù)見表6~7 位移測試分析。
表6 橋梁測點應(yīng)變觀測值、計算值及校驗系數(shù)
表7 應(yīng)變平均校驗系數(shù)匯總表
由表6~7 可知,試驗橋梁的應(yīng)力校驗系數(shù)最大值為1.18,大部分校驗系數(shù)均在0.97≤η≤1.18 范圍以內(nèi),平均校驗系數(shù)為1.08,大于校驗系數(shù)上限值0.90。
從實測應(yīng)力校驗系數(shù)大于正?;炷凉皹虻膽?yīng)力檢驗系數(shù)可知:橋梁的承載能力不足。
1)在試驗荷載作用下,試驗孔跨測試截面撓度的相對殘余變形大于20%,表明橋跨結(jié)構(gòu)彈性性能和彈性恢復(fù)能力較差。
2)在試驗荷載作用下,試驗孔測試截面的撓度校驗系數(shù)在0.953~1.18 間,均值大于1.0,超出JTG/T J21-2011 規(guī)程的限值。
3)在靜試驗荷載作用下,主拱圈裂縫存在明顯呼吸,裂縫寬度分別為寬度1.15mm(蘭州端邊孔)/1.50mm(臨洮端邊孔)。
4)根據(jù)靜動試驗的測試分析結(jié)果推斷,橋跨主拱圈存在嚴(yán)重?fù)p傷,存在脆性斷裂的可能,已不能滿足汽車-20 荷載的正常使用技術(shù)要求。
1)主拱圈維修加固(封堵主拱拱圈裂紋、加大主拱圈截面)。
2)封堵腹拱圈裂縫。
3)修橋面防水層、更換橋面鋪裝層。