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        某V 撐剛構(gòu)橋荷載試驗研究

        2022-04-22 02:43:12韓保衛(wèi)HANBaowei
        價值工程 2022年14期
        關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu)檢測

        韓保衛(wèi)HAN Bao-wei

        (中鐵一局集團橋梁工程有限公司,渭南 714000)

        0 引言

        連續(xù)剛構(gòu)橋起源于德國,歷史悠久,由于其受力合理施工簡便被廣泛建造,中國第一座連續(xù)剛構(gòu)橋于20 世紀八十年代建成,經(jīng)過幾十年的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)十分成熟,且演變出眾多類型,本橋作為景觀橋也可看作連續(xù)剛構(gòu)橋的一個變種。荷載試驗作為橋梁投入使用前驗收的一項重要指標,對橋梁整體性能的評定具有重要的意義,經(jīng)過對該橋進行外觀檢查與靜載試驗等現(xiàn)場工作與大量的理論計算、數(shù)據(jù)分析、歸納和整理,可對該橋的技術(shù)狀況、承載能力檢測進行評定及建議,完成預(yù)訂的各項檢測任務(wù)。另外,也能對成橋后運營階段的養(yǎng)護與維修提供基礎(chǔ)資料。

        1 工程概況

        某市景觀橋一座,總長49.16m,采用雙幅設(shè)計,橋孔布置為12m+20m+12m,橫斷面布置與道路相同為5.5m(人行道)+22m(行車道)+5.5m(人行道)=33m。該橋上部結(jié)構(gòu)采用12m+20m+12m 鋼筋混凝土板拱結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)橋墩采用墻式墩。梁橋總體布置圖如圖1 所示。

        圖1 橋梁總體橋梁布置圖

        道路等級為城市次干路,設(shè)計車速30km/h,橋梁設(shè)計荷載等級:城-A 級。

        2 試驗內(nèi)容

        2.1 外觀檢測

        橋梁外觀的檢測分為三部分,即:橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。橋面系主要包括:橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、人行道欄桿、防排水系統(tǒng)、照明、標志、橋面線形等;上部結(jié)構(gòu)主要包括:主梁和支座;下部結(jié)構(gòu)主要包括橋臺、橋墩等。

        2.2 靜載試驗

        本次荷載試驗選定此橋左幅作為加載和測試的主要橋孔結(jié)構(gòu);選定其它橋孔作為輔助驗證加載和測試橋孔結(jié)構(gòu)。該橋各控制截面及測試項目如圖2 和表1 所示。

        圖2 加載和測試截面布置示意圖

        表1 控制截面加載情況與測試項目表

        ①應(yīng)變測試。采取在箱梁梁底測試位置粘貼電阻應(yīng)變片,由電阻應(yīng)變片將結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號,通過電阻應(yīng)變測試系統(tǒng)接收和放大又將電信號以微應(yīng)變值給出測試結(jié)果。根據(jù)各斷面測試內(nèi)容,應(yīng)力(應(yīng)變)測點布置如圖3所示。

        圖3 應(yīng)力(應(yīng)變)測點布置圖

        ②撓度(變形)測試。通過在梁體測試斷面設(shè)置變形測點,用高精度全站儀進行測量。根據(jù)各斷面測試內(nèi)容,變形測點布置如圖4 所示。

        圖4 變形測點布置圖

        注:圖4 適用于A-A、C-C、D-D、E-E、F-F 截面位移測點布置,每斷面設(shè)3 個變形測點。

        ③裂縫測試。裂縫檢測包括裂縫長度、寬度和深度檢測。采用合格的量尺量測裂縫長度,采用讀數(shù)顯微鏡量測 裂縫寬度,采用非金屬超聲波檢測分析儀檢測裂縫深度。裂縫寬度和深度檢測方法分別見圖5、圖6 所示。

        圖5 裂縫寬度測試示意圖

        圖6 裂縫深度測試示意圖

        2.3 動載試驗

        對該橋結(jié)構(gòu)進行動載試驗測試,以確定橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力特性參數(shù),并結(jié)合理論分析結(jié)果,綜合評定橋梁結(jié)構(gòu)動力特性。①脈動試驗,利用自然環(huán)境,如大地脈動、風荷載等對橋梁的激勵,測試橋梁的動力參數(shù),如自振頻率、阻尼比等。②行車試驗,以一輛重約40t 車輛以不同速度通過橋梁,記錄余振波形,測試橋梁動力響應(yīng),如沖擊系數(shù)等。

        3 模型建立

        此為混凝土連續(xù)箱梁橋,整個橋梁主要受力結(jié)構(gòu)由主梁、橋墩、橋臺和基礎(chǔ)組成。為了能夠真實地反映橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力狀態(tài),本次使用有限元程序—MIDAS 建立空間有限元模型,對其進行靜力計算和分析。

        通過MIDAS 軟件建立有限元模型的主要步驟如下:①結(jié)構(gòu)離散化。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和選定的單元類型,劃分單元和結(jié)點,并對結(jié)點和單元予以編號。②結(jié)構(gòu)描述,選定整體坐標系。輸入確定結(jié)構(gòu)幾何、材料、荷載和支承條件的全部數(shù)據(jù)和各種信息以及有關(guān)的控制變量等參數(shù)。③單元特性計算。根據(jù)單元類型、單元結(jié)點號和結(jié)點坐標系以及有關(guān)信息,分別算出局部坐標系下的單元剛度矩陣和等效結(jié)點荷載等。④組集結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和荷載總矢量。⑤求解結(jié)構(gòu)的靜力平衡方程組計算所有的未知結(jié)點位移。⑥根據(jù)單元結(jié)點位移和單元剛度矩陣計算各個單元應(yīng)力。⑦求解結(jié)構(gòu)的動力平衡方程組(特征值方程)可得到結(jié)構(gòu)的自振頻率(周期)和振型等參數(shù)。

        該橋上部結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖7 所示。

        圖7 橋梁計算模型

        對該橋控制截面進行最不利加載,計算各種工況下結(jié)構(gòu)的理論變形與應(yīng)力。

        4 試驗過程及測試結(jié)果

        ①靜力試驗選擇在氣溫變化不大和結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定的時間段內(nèi)進行;②靜力試驗荷載持續(xù)時間,原則上取決于結(jié)構(gòu)變位達到相對穩(wěn)定所需要的時間,只有結(jié)構(gòu)變位達到相對穩(wěn)定后,才能進入下一荷載試驗階段。一般每級荷載到位后穩(wěn)定10 分鐘即可測讀;③全部測點在正式加載試驗前均應(yīng)進行零級荷載讀數(shù),以后每次加載或卸載后應(yīng)讀數(shù)一次。試驗時選在結(jié)構(gòu)變位較大的測點,每隔5 分鐘觀測一次,以觀測結(jié)構(gòu)變位是否達到相對穩(wěn)定;④若在加載試驗過程中發(fā)生下列情況之一時,應(yīng)立即終止加載試驗:1)控制測點應(yīng)力超過計算值并且達到或超過按規(guī)范安全條件反算的控制應(yīng)力時;2)控制測點變位超過規(guī)范允許值時;3)由于加載試驗使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常的損傷或局部發(fā)生損壞,影響橋梁承載能力和今后正常使用時。

        4.1 試驗過程

        靜載試驗工況按照本橋的內(nèi)力影響線和位移影響線確定。現(xiàn)場靜載試驗按照控制截面設(shè)計荷載的內(nèi)力(位移)等效加載,則采用3 輛40 噸的試驗車輛。

        為確保試驗加載過程中結(jié)構(gòu)安全,根據(jù)本橋的實際情況和理論分析結(jié)果,先采用兩輛車在1/4 斷面加載,然后通過分析對比試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù),確認結(jié)構(gòu)安全的情況下再在跨中位置加載,最后再進行三輛車加載。

        根據(jù)測試內(nèi)容,全橋靜載試驗共分為7 個荷載工況,分別如下所示:工況1:第1 跨2L/4 雙車對稱加載;工況2:第2 跨L/4 雙車對稱加載;工況3:第2 跨2L/4 雙車對稱加載;工況4:第2 跨2L/4 三車偏心加載;工況5:第2跨L/4 三車偏心加載;工況6:第1 跨L/2 三車偏心加載;工況7:卸載(殘余變形)。

        4.2 應(yīng)變(應(yīng)力)測試結(jié)果

        工況1 下各控制截面應(yīng)力(應(yīng)變)理論值、實測值及校驗系數(shù)如表2 所示,表中“+”表示拉應(yīng)力,“-”表示壓應(yīng)力)。通過對該上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力實測結(jié)果與相應(yīng)的理論計算結(jié)果進行對比分析后可以得到以下結(jié)論:①該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力的實測計算值小于混凝土抗拉設(shè)計值,說明結(jié)構(gòu)混凝土表面本身完好;②該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面應(yīng)力校驗均小于1(0.6~0.9),表明橋梁結(jié)構(gòu)強度良好;③由以上對應(yīng)力測試結(jié)果的分析可知:該橋的強度滿足設(shè)計要求。

        表2 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數(shù)

        4.3 變形測試結(jié)果(表3、表4)

        表3 工況1 荷載作用下控制截面位移理論值、實測值與校驗系數(shù)

        表4 卸載后的殘余應(yīng)變及相對殘余應(yīng)變表

        通過對該橋上部結(jié)構(gòu)在各工況作用下各測試截面位移實測結(jié)果與相應(yīng)的理論計算結(jié)果進行對比分析后可以得到以下結(jié)論:①在各種工況作用下,該橋上部結(jié)構(gòu)各測試截面實測變形值均小于計算跨徑的L/800,橋梁處于小變形狀態(tài)。②在試驗荷載作用下,該橋控制截面的實測位移值小于于理論計算值,即位移校驗系數(shù)小于1.0(0.7~1.0),說明該橋的靜力剛度良好。③結(jié)構(gòu)最大相對殘余變位值小于20%,根據(jù)相關(guān)規(guī)定,判定荷載試驗過程中橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。④整個靜載試驗過程中,各測點的豎向位移均未發(fā)生較大異常變化。⑤由以上分析結(jié)果可以得出,該橋主梁結(jié)構(gòu)靜力剛度良好。

        4.4 裂縫測試結(jié)果

        試驗前對全橋上下部結(jié)構(gòu)是否存在有裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等情況進行核查記錄,核查結(jié)果顯示,未發(fā)現(xiàn)上述情況,故本次試驗中不進行裂縫、缺陷、損壞以及露筋、銹蝕等發(fā)展情況進行觀察和測試。

        4.5 動載測試結(jié)果

        通過現(xiàn)場脈動試驗及理論計算,得出該橋自振頻率的理論值、實測值如表5 所示,豎向功率譜密度曲線如圖8所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)動力特性狀態(tài)指標評定結(jié)果見表6所示。

        圖8 豎向功率譜密度圖

        表5 該橋自振頻率理論值、實測值列表

        表6 該橋阻尼比實測值

        本次沖擊系數(shù)采用實測動位移時程曲線計算各車速的行車沖擊系數(shù)1+μ,各車速的行車沖擊系數(shù)1+μ 如表7

        表7 行車沖擊系數(shù)理論計算值與實測值對照表

        所示。動位移時程曲線及跑車時程曲線如圖9、圖10 所示。

        圖9 動位移時程曲線

        圖10 跑車試驗時程圖

        綜上所述:

        ①本橋的沖擊系數(shù)滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》、《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》評定的要求,是安全的;②本橋的跑車、剎車和跳車實測動撓度較小,滿足橋梁的運營安全要求和相關(guān)規(guī)程的規(guī)定;③本橋的自振頻率大于理論頻率值,說明該橋動力剛度滿足要求。

        5 結(jié)語

        荷載試驗?zāi)軌蚓苡行У臋z測橋梁的受力狀態(tài),通過橋梁外觀、靜載、動載等的試驗,對其應(yīng)變、撓度、裂縫等項目有著很好的檢測效果,且操作簡便,所以被作為橋梁投入使用前的一種驗收手段而廣泛使用。

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