張雪華,郭 宏

(江西省交通工程質(zhì)量監(jiān)督站試驗(yàn)檢測(cè)中心,江西 南昌 330096)

1 工程概況

黃溪河上跨橋起訖樁號(hào)K0+013.169～K0+088.169,橋梁全長(zhǎng)75 m。橋面主要考慮15 m行車(chē)帶,并在兩側(cè)各設(shè)置3 m人行道,合計(jì)橋?qū)?1 m,本橋平面位于直線上;墩臺(tái)徑向布置。黃溪河上跨橋上部結(jié)構(gòu)采用2×31 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁,單箱四室結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩,橋臺(tái)使用U型橋臺(tái),橋墩基礎(chǔ)使用樁基礎(chǔ),橋臺(tái)基礎(chǔ)使用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)荷載為城市—A級(jí),人群荷載按規(guī)范取值。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)黃溪河上跨橋的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求,根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式,制定荷載試驗(yàn)方案,并通過(guò)有限元計(jì)算軟件,獲取靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)理論響應(yīng)值,為正式開(kāi)展荷載試驗(yàn)參數(shù)控制及試驗(yàn)結(jié)果提供理論對(duì)比依據(jù)[1-6],也為類(lèi)似橋梁提供實(shí)踐參考。

2 靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 靜載試驗(yàn)加載原則

(1)靜載試驗(yàn)加載原則。

各工況下試驗(yàn)所需加載車(chē)輛的數(shù)量,按下式所確定的原則等效換算而得。

式中:η為靜力試驗(yàn)荷載效率;Ss為試驗(yàn)荷載作用下,某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最大計(jì)算效應(yīng)值;S為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計(jì)算效應(yīng)值;1+μ為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。

靜載試驗(yàn)加載車(chē)參數(shù)如表1、2所示,主要采用八臺(tái)40 t的三軸載重汽車(chē)。在準(zhǔn)備階段,需要對(duì)車(chē)輛的輪距、軸距、重量進(jìn)行復(fù)測(cè),并按照加載順序?qū)?chē)輛進(jìn)行排序,并將序列號(hào)貼在車(chē)上,便于后期加載的調(diào)度和安排。復(fù)測(cè)要求前軸、中軸和后軸單軸偏差盡可能控制在0.5 t以內(nèi),單車(chē)總重量偏差盡可能控制在1 t以內(nèi),若偏差超過(guò)上述值,則需要按照車(chē)輛實(shí)際情況重新開(kāi)展有限元分析計(jì)算和布載。

表2 靜載試驗(yàn)加載用車(chē)數(shù)量表

(2)靜載試驗(yàn)加載制度及試驗(yàn)規(guī)則。

①試驗(yàn)選在穩(wěn)定的天氣溫度中開(kāi)展,并做好結(jié)構(gòu)表面溫度記錄,便于后期進(jìn)行理論驗(yàn)算時(shí)進(jìn)行溫度修正,使得理論數(shù)值更加可靠。

②在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前,應(yīng)該采用兩輛載重加載車(chē)在橋跨試驗(yàn)截面進(jìn)行不少于20 min持荷時(shí)間的預(yù)加載。便于檢測(cè)設(shè)備及結(jié)構(gòu)消除非彈性變形,提前進(jìn)入工作狀態(tài)。預(yù)加載完全卸載后,需待結(jié)構(gòu)恢復(fù)空載狀態(tài)時(shí),再正式開(kāi)展加載試驗(yàn)。

③在正式加載試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行初讀數(shù),并每加、卸載時(shí)進(jìn)行初讀數(shù)和變位穩(wěn)定后的讀數(shù)。對(duì)結(jié)構(gòu)變位最大的測(cè)點(diǎn)需要每隔5 min進(jìn)行一次讀數(shù),才可判斷結(jié)構(gòu)變形是否達(dá)到穩(wěn)定。

④正式加載試驗(yàn)按加載工況序號(hào)逐一進(jìn)行,首個(gè)工況的分級(jí)加載穩(wěn)定時(shí)間不宜少于15 min。結(jié)構(gòu)變位達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才可繼續(xù)進(jìn)入下一階段的加載或卸載。如果同一級(jí)荷載內(nèi),在兩次相鄰讀數(shù)增量小于15%時(shí),則可判定在該荷載下,結(jié)構(gòu)變位已相對(duì)穩(wěn)定。

(3)汽車(chē)沖擊系數(shù)。

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.2條規(guī)定計(jì)算沖擊系數(shù)。

當(dāng)f<1.5 Hz時(shí),μ=0.05;

當(dāng)1.5 Hz

當(dāng)f>14 Hz時(shí),μ=0.45。

在計(jì)算頻率及沖擊系數(shù)時(shí),橋面鋪裝及橋面系等荷載以線性荷載均布于梁上。通過(guò)計(jì)算得到黃溪河上跨橋一階豎向頻率為4.317,相應(yīng)沖擊系數(shù)為0.243;二階豎向頻率為6.266,相應(yīng)沖擊系數(shù)為0.309。

2.2 靜載試驗(yàn)方案及驗(yàn)算

(1)靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。

根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233—2015),結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)等綜合考慮,優(yōu)先選擇最大正、負(fù)彎矩截面為荷載試驗(yàn)截面,即選擇黃溪河上跨橋第一跨跨中截面(J1截面)、墩頂附近截面(J2截面)。測(cè)試工況及測(cè)試內(nèi)容如表3所示。

表3 黃溪河上跨橋測(cè)試項(xiàng)目及試驗(yàn)內(nèi)容

其中,應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在箱梁底面及側(cè)面混凝土表面,測(cè)點(diǎn)布置時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,適當(dāng)調(diào)整布置位置,采用應(yīng)變片或表貼式應(yīng)變計(jì)配合采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。撓度測(cè)點(diǎn)布置撓度測(cè)點(diǎn)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)。

J1測(cè)試截面的應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

“■”—應(yīng)變測(cè)點(diǎn),J1截面測(cè)點(diǎn)首字母用A表示;“↓”—撓度測(cè)點(diǎn),J1截面撓度測(cè)點(diǎn)首字母用C表示。

J1測(cè)試截面應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)從左到右依次編號(hào)分別為A1—A7、C1—C3。

J2測(cè)試截面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2,J2測(cè)試截面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)從左到右依次編號(hào)分別為B1—B7。

“■”—應(yīng)變測(cè)點(diǎn),J2截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)首字母用B表示。

(2)靜載試驗(yàn)車(chē)輛荷載布置。

①預(yù)載。據(jù)規(guī)范要求,采用4輛40 t重車(chē)行駛,依次停靠在測(cè)試截面的彎矩最不利位置進(jìn)行預(yù)加載,然后勻速通過(guò)橋面,減少橋梁的非彈性變形。

②工況1:J1截面最大正彎矩正載采用8輛40 t重車(chē)進(jìn)行加載,加載車(chē)輛布置情況見(jiàn)圖3。

圖3 J1截面最大正彎矩正載滿載平面布置圖(單位:cm)

③工況2:J1截面最大正彎矩偏載采用8輛40 t重車(chē)進(jìn)行加載,加載車(chē)輛布置情況見(jiàn)圖4。

圖4 J1截面最大正彎矩偏載滿載平面布置圖(單位:cm)

④工況3:J2截面最大負(fù)彎矩正載采用8輛40 t重車(chē)進(jìn)行加載,加載車(chē)輛布置情況見(jiàn)圖5。

圖5 J2截面最大負(fù)彎矩正載滿載平面布置圖(單位:cm)

⑤工況4:J2截面最大負(fù)彎矩偏載采用8輛40 t重車(chē)進(jìn)行加載,加載車(chē)輛布置情況見(jiàn)圖6。

圖6 J2截面最大負(fù)彎矩偏載滿載平面布置圖(單位:cm)

以上4個(gè)工況,均分級(jí)加載,具體如表4所示。

表4 J1、J2截面對(duì)稱(chēng)加載分級(jí)加載表

由4種工況的車(chē)載布置,可以明確地看到各工況下車(chē)輛的擺設(shè)位置,在調(diào)度前應(yīng)在橋上提前做好標(biāo)記,便于后期車(chē)輛準(zhǔn)確定位。

(3)靜載試驗(yàn)理論值計(jì)算

根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),采用橋梁有限元程序midas Civil 2020 v1.1建立梁格計(jì)算模型,模型中共包含367個(gè)節(jié)點(diǎn)、516個(gè)單元。該模型從左至右依次為1#梁、2#梁、3#梁、4#梁、5#梁。

成橋狀態(tài)下汽車(chē)活載效應(yīng)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 黃溪河上跨橋內(nèi)力理論計(jì)算結(jié)果 單位:kN

黃溪河上跨橋加載工況、理論計(jì)算值、試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率見(jiàn)表6。

表6 黃溪河上跨橋加載試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率表

在試驗(yàn)汽車(chē)荷載作用下,黃溪河上跨橋各工況控制截面應(yīng)變和撓度試驗(yàn)計(jì)算值見(jiàn)表7至表9。

表7 J1截面試驗(yàn)加載下控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算值

表8 J1截面試驗(yàn)加載下控制截面測(cè)點(diǎn)撓度計(jì)算值

表9 J2截面試驗(yàn)加載下控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算值

通過(guò)表5至表9可以得到各截面測(cè)點(diǎn)的內(nèi)力、撓度、應(yīng)變理論計(jì)算值,該值可在后期現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展靜載試驗(yàn)時(shí)作為理論對(duì)比數(shù)據(jù),通過(guò)實(shí)測(cè)內(nèi)力、撓度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)與上述值比較,可以有效地評(píng)判橋梁在荷載作用下的響應(yīng)情況,判斷橋梁目前的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3 動(dòng)載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步獲取黃溪河上跨橋的自振特性,或得到在動(dòng)力荷載作用下的受迫振動(dòng)特性,開(kāi)展動(dòng)力荷載試驗(yàn)。將第一跨作為試驗(yàn)跨,選擇第一跨跨中D1截面作為試驗(yàn)截面進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)。

3.1 動(dòng)載試驗(yàn)理論振型

對(duì)黃溪河上跨橋進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析,黃溪河上跨橋一階豎向頻率為4.317 Hz;黃溪河上跨橋二階豎向頻率為6.266 Hz;黃溪河上跨橋三階豎向頻率為8.854 Hz。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)建立模型計(jì)算的理論振型,對(duì)黃溪河上跨橋進(jìn)行測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取黃溪河上跨橋跨中截面作為測(cè)試截面。

根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233—2015),動(dòng)試驗(yàn)工況如表10所示。

表10 黃溪河小橋動(dòng)載試驗(yàn)工況一覽表

根據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233—2015),在試驗(yàn)截面位置設(shè)置拾振器。

4 試驗(yàn)交通組織及維護(hù)措施

(1)加載車(chē)輛自重較大,加載車(chē)應(yīng)嚴(yán)格按照調(diào)度員指揮,不得集中堆放,盡可能靠近試驗(yàn)跨位置,否則易引起橋梁結(jié)構(gòu)局部的損傷。

(2)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求,在橋梁兩側(cè)150 m外設(shè)置道路導(dǎo)流指示牌、占道公示牌、設(shè)置錐桶等,避免社會(huì)車(chē)輛進(jìn)入,影響試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本次對(duì)黃溪河上跨橋進(jìn)行荷載試驗(yàn),根據(jù)黃溪河上跨橋結(jié)構(gòu)形式,確定荷載試驗(yàn)截面和方案。并采用有限元分析軟件midas Civil軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)算,獲取橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下測(cè)試截面的撓度及應(yīng)變理論響應(yīng)值。為后期正式試驗(yàn)獲得的脈動(dòng)試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)提供理論支撐。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可操作情況,制定可行的交通組織方案,可為類(lèi)似工程的荷載試驗(yàn)方案編制提供參考依據(jù)。