胡鐵明, 褚博琦, 吳憲鍇, 張 晗

(1.沈陽大學建筑工程學院,遼寧 沈陽110044;2.遼寧交通規(guī)劃設計院有限責任公司,遼寧 沈陽110005)

0 引 言

隨著現(xiàn)代交通運輸行業(yè)的發(fā)展,新建橋梁在不斷修建的同時對已有在役橋梁進行科學的承載能力的評估,以達到減少安全事故的意外發(fā)生以及提高在役橋梁的使用效率的目的有著非常重要的作用。橋梁荷載試驗能有效的解決對在役橋梁承載能力評估及可靠新鑒定的問題[1-2]。橋梁荷載試驗主要是通過檢測橋梁結構在受到靜力荷載作用下結構的變形和主要控制截面內力變化情況,再利用檢測鑒定結果確定橋梁結構的實際工作狀態(tài)是否滿足設計期望要求。通過動載試驗檢測橋梁結構固有的振動特性及動力性能,以達到檢查橋梁動響應能力是否滿足設計使用要求的目的。與此同時還能作為橋梁的信息檔案,為橋梁的運營及管理提供信息或參考依據(jù),為橋梁的管理、養(yǎng)護維修、監(jiān)測加固等積累技術資料[3-5]。

1 橋梁概況

依托某高速路段一區(qū)間內在役預應力混凝土簡支工字梁橋,該橋于1999年建成。全橋跨徑布置為9×(4×40m+3×40m+1×40m+2×15.205m+1×40m,橋梁全長1693.5m。橋面凈寬為10.75m,內、外側分別 設0.65m和0.50m的防 撞墻。測試區(qū)段交角為90°,上部結構為40m預應力砼I形組合梁,每孔各6片主梁,梁頂現(xiàn)澆23cm厚鋼筋砼橋面板,縱橋向設置9道橫隔梁,為先簡支后橋面連續(xù)體系。

設計荷載等級為汽車-超20級、掛車-120。

2 有限元模型

根據(jù)橋梁結構設計圖紙,采用橋梁通用分析軟件Midas/civil建立結構分析模型,利用空間梁單元進行計算,材料為C50混凝土。在Midas/civil中嚴格遵守JTG(RC)規(guī)范中C50混凝土的材料屬性。通過Midas/civil導出各控制斷面內力影響線,根據(jù)影響線加載原理,通過工況優(yōu)化得到最優(yōu)的加載方案。模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗原理

靜載試驗利用內力等效原則在橋梁結構測試截面上施加與控制荷載等效的靜態(tài)外加荷載。靜態(tài)荷載施加穩(wěn)定后,利用提前布置的采集設備對橋梁結構控制截面位置在靜載過程中的試驗數(shù)據(jù)進行采集。主要測試內容有撓度、應變等參數(shù)。

3.2 加載方式

為了獲取橋梁結構在試驗過程中的受力變化關系,同時防止橋梁結構發(fā)生意外損傷,保證橋梁和人員安全,試驗采用分級加載的方式。分級加載的方式能有效的采集當級加載過程中的有效數(shù)據(jù),并且能夠有時間觀察在加載過程中橋梁結構是否發(fā)生變化。如果試驗過程中橋梁發(fā)生異常能及時查明原因。

3.3 測試截面選取

試驗截面選取采用內力等效原則。根據(jù)橋梁結構的內力包絡圖以及結構本身的狀況等原則,按照最不利受力原則確定加載工況以及測試截面。試驗的試驗工況為邊主梁最大正彎矩偏載試驗,主要測試截面為B40附加測試截面為A40和C40。主要測試截面為B40附加測試截面為A40和C40。截面選取如圖2所示。

圖2 測試截面位置圖

3.4 測試截面測點布置

根據(jù)橋梁結構分析計算結果,需要對試驗荷載作用下測試截面撓度測點及應變測點進行布置。在測試截面的底部位置布置撓度測試點,應變測試點布置在橋梁底部且沿梁高的方向。測點數(shù)量統(tǒng)計如下表1所示。

表1 測試截面測點數(shù)量

3.5 加載方式及加載車輛布置

3.5.1 加載方式

正式加載時按照計算車輛的加載位置逐級加載,期間及時記錄并存儲每級荷載下的測量數(shù)據(jù),直至荷載效率滿足規(guī)范要求。最后進行卸載,讀取卸載讀數(shù)。

3.5.2 加載車輛布置

為保障橋梁結構及加載車輛在試驗過程中的安全,試驗采用逐級遞增的加載方式,逐級遞增的加載方式能有效的提高試驗效率,保證試驗安全。根據(jù)橋梁模型計算結果,確定在不同分級荷載作用下的加載車輛布置。

3.6 靜載試驗數(shù)據(jù)分析

3.6.1 試驗荷載效率分析

靜載試驗主要是檢驗橋梁在接近控制荷載作用下結構控制部位與控制截面的作用效應。要求橋梁主要控制截面在試驗荷載作用下所產生的作用效應與在控制荷載作用下產生的效應接近。靜載試驗過程的荷載效率如表2所示。

表2 靜載試驗荷載效率

3.6.2 撓度結果分析

試驗前在控制截面處沿梁高方向粘貼光電撓度儀專用的光電靶標,試驗過程中測試人員在橋下使用光電撓度儀對橋梁結構的撓度數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表3

表3 B1-B6實測值及理論值(單位:mm)

3.6.3 應變結果分析

試驗過程中利用DH3820多通道應變采集設備在橋上對數(shù)據(jù)進行實時采集。試驗在三級加載作用下所測得應變實測值及理論值見表4

表4 B1-B6實測值及理論值(單位:με)

4 動載試驗

4.1 動載試驗原理

動載試驗是指橋梁結構在受到外界環(huán)境荷載以及動力荷載激振作用下促使橋梁受迫振動的現(xiàn)場試驗。在此過程中主要對橋梁受迫震動過程中的結構自振頻率及沖擊系數(shù)進行采集,同時應在此過程中觀察結構的反應現(xiàn)象。從而得出橋梁結構在受到動力荷載作用下的性能狀況。動力響應測試試驗選在預應力混凝土簡支工字梁進行,采用環(huán)境隨機激振法進行測試橋梁上部結構豎向彎曲振動特性,即頻率。

4.2 試驗測點布置

試驗在試驗孔跨中位置各放置一個振動傳感器進行測試,在測試過程中測試人員在橋上采集動載數(shù)據(jù)。

4.3 測試內容

動響應試驗的主要測試內容為橋梁上部結構的自振頻率、橋梁在動力荷載作用下的動應變以及橋梁的沖擊系數(shù)。

4.3.1 橋梁上部結構自振頻率測試

在測試過程中為了防止其它過往車輛對測試結果造成影響,在此試驗過程前對測試路段采用封閉重車道和應急車道,開放超車道交通的形式進行交通管制。隨后加載車輛在應急車道進行動載試驗,試驗結束后立即解除封道。測試結果如下表5示。

表5 上部結構自振頻率

4.3.2 動力響應試驗

依據(jù)橋梁結構在車輛荷載作用下的最不利工況選取橋梁的最大彎矩截面為測試斷面。檢測橋梁測試位置在受到移動車輛荷載情況下橋梁的動響應能力。

沖擊系數(shù)的測量值與理論結果的數(shù)值對比如表6所示。

表6 擊系數(shù)結果表

5 結 論

(1)靜載試驗作用下簡支工字梁跨中最大正彎矩工況試驗效率為1.00,滿足測試要求。簡支梁跨中最大正彎矩控制截面的主要控制測點的撓度和應變校驗系數(shù)均小于1,表明橋梁實際工作狀況優(yōu)于理論狀況。簡支梁控制截面的撓度和應變與其理論值呈線性關系,且實測相對殘余變形和相對殘余應變均小于20%,結構處于線彈性工作狀況。

(2)在動載測試的過程中預應力混凝土工字梁橋實測第一階自振頻率均大于理論值,反應結構實際剛度大于理論剛度。在車速10km/h～50km/h行車作用下結構動力增大效應小于理論狀況,車速60km/h行車作用下結構動力增大效應大于理論狀況。移動荷載作用下橋梁控制截面所受動應變基本呈上升變化趨勢。

(3)試驗的預應力混凝土簡支工字梁橋在受到靜力及動力荷載作用下滿足試驗要求。試驗橋梁處于彈性工作狀態(tài),無其它不穩(wěn)定狀況發(fā)生,動力性能較好且具有良好的剛度。