金馬河大橋靜荷載試驗研究

蔣麗萍

(柳州市市政設計科學研究院,廣西 柳州 545006)

1 概 況

金馬河大橋的主橋為三跨飛燕式拱橋,中跨拱肋為中承式鋼管混凝土拱,拱腳墩中心間距 138m,凈跨徑 130m,凈矢高 37.143m,凈矢跨比 1/3.5,拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)為 1.4;邊跨拱肋為箱形混凝土拱,凈跨徑 32m,拱軸線為二次拋物線。橋型布置見圖 1。

圖1 試驗斷面和撓度測點布置圖(單位:cm)

2 荷載試驗目的

(1)檢驗設計與施工質(zhì)量,確定工程的可靠性,為竣工驗收提供技術(shù)依據(jù);

(2)驗證設計理論、計算方法及設計所采用的各種假設的正確性與合理性,為改進橋梁結(jié)構(gòu)及其設計方法積累科學依據(jù);

(3)直接了解橋跨結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài),判斷實際承載能力,評價橋跨結(jié)構(gòu)在設計使用荷載下的工作性能,檢驗其是否符合設計標準或滿足使用要求;

(4)通過荷載試驗,建立橋梁“指紋”檔案,為以后該橋在運營階段,特別是老化階段的檢測與評定提供基準數(shù)據(jù)。

3 靜荷載試驗內(nèi)容

橋梁靜載試驗是將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置,測試結(jié)構(gòu)的靜應變、靜應力以及靜位移等,確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設計期望值是否相符,從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。它是檢驗橋梁性能及工作狀態(tài),即結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度最直接、最有效的辦法。

金馬河大橋主橋為一座飛燕式三跨拱橋,中間主跨為系桿中承式鋼管混凝土桁架拱。對該橋進行靜載試驗,主要試驗內(nèi)容包括:

(1)主跨拱腳、主拱實體段與桁架段交界處,主拱 L/4截面、主拱 L/2控制截面在最不利設計荷載彎矩下加載試驗[1];

(2)一側(cè)邊跨拱腳及跨中附近截面在最不利設計荷載彎矩下加載試驗;

(3)偏載作用下拱圈截面的偏載試驗;

(4)跨中長吊桿加載試驗。

試驗截面為:主拱跨的拱腳、主拱實體段與桁架段交界處、L/4截面、拱頂截面(A-A、B-B、C-C、D-D)。其中包括對 C-C、D-D截面進行偏心加載;主跨跨中長吊桿(EE);一側(cè)邊拱跨的拱腳截面(F-F)及跨中附近截面(GG)。具體位置參見圖 1試驗斷面和撓度測點布置圖[2]。

4 試驗加載方式與加載分級

根據(jù)實際情況選擇車型,車輛軸重應與橋梁規(guī)范中規(guī)定的車輛荷載基本相當。根據(jù)靜力試驗荷載效率要求及對各控制斷面的計算分析后選擇適當?shù)募虞d車輛數(shù)量。所有試驗車裝載后要經(jīng)地磅稱重,稱重指標有前軸實際重量、后軸實際重量和滿載后總重量。滿載后車輛實際總重量在 330 kN左右,其重量誤差在±5 kN以內(nèi)。根據(jù)稱重的結(jié)果,記錄每輛試驗車相應的實際重量值[3]。

為了獲得結(jié)構(gòu)試驗荷載與變位關(guān)系的連續(xù)曲線和防止結(jié)構(gòu)意外損傷,每一檢驗項目靜力試驗荷載分成預加載和兩級加載,兩級卸零。加載方式為單次逐級遞加到最大荷載,然后逐級卸到零級荷載。

靜力試驗荷載的加載分級,主要依據(jù)試驗加載車在某一檢驗項目(內(nèi)力或位移)影響面內(nèi)縱橫向位置的不同以及加載重量多少而分成設計控制荷載產(chǎn)生的該檢驗項目最不利效應值的 60%和 100%。對同一加載截面,先分級加載,橫向?qū)ΨQ加載;每個工況進行重復加載。

5 試驗加載位置與加載工況[4]

加載位置與加載工況確定主要依據(jù)的原則是盡可能用最少的加載車輛達到最大的試驗荷載效率,同時應考慮簡化加載工況,縮短試驗時間,在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進行適當合并,每一加載工況依據(jù)某一檢驗項目為主,兼顧其它檢驗項目。具體的試驗荷載是根據(jù)各個控制截面的設計彎矩,通過等效的試驗車輛荷載加載到相應位置來實現(xiàn)的,荷載采用 6輛雙后軸汽車加載,汽車總重為 66+132+132=330 kN,加載汽車軸距為(4.0+1.4)m。

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6 靜載試驗結(jié)果與分析

6.1 撓度測試結(jié)果

對加載試驗的主要測點(即控制測點或加載試驗效率最大部位測點)可按下式計算校驗系數(shù)ξ:

式中:Se為試驗荷載作用下量測的彈性變位(或應變)值;Ss為試驗荷載作用下的理論計算變位(或應變)值。

豎向?qū)崪y位移與理論計算的比較,計算各工況兩次加載實測豎向結(jié)果的平均值、理論計算值及結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)。

按照《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》(YC 4-4/1982),實測值與計算值進行對照,如滿足規(guī)范限值要求,表明本橋的靜載試驗結(jié)果滿足橋梁設計及檢定規(guī)范的要求[5]。

在不同工況下,各試驗截面撓度實測值和計算值見表2。

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由表2可見:該橋在A-A和 B-B工況下主跨拱肋撓度校驗系數(shù)為 0.47～0.92,主跨橋面撓度校驗系數(shù)為 0.44～0.81,在合理的范圍之內(nèi);在C-C工況下主跨拱肋撓度校驗系數(shù)為 0.67～0.97,主跨橋面撓度校驗系數(shù)為 0.65～0.91,在合理的范圍之內(nèi);在D-D工況下主跨拱肋撓度校驗系數(shù)為 0.69～0.91,主跨橋面撓度校驗系數(shù)為 0.57～0.81,在合理的范圍之內(nèi)。

綜合表明該橋跨結(jié)構(gòu)能滿足設計荷載作用下的剛度要求。

6.2 應力測試結(jié)果

按照《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》(YC 4-4/1982),實測值與計算值進行對照,如滿足規(guī)范限值,表明本橋的靜載試驗結(jié)果滿足橋梁設計及檢定規(guī)范的要求。實測的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件主要控制截面應變沿高度分布圖符合平截面假定,實測的控制點變位或應變與荷載的關(guān)系曲線接近于直線,說明橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于良好的彈性工作狀況。

6.2.1 正載應力測試結(jié)果

在不同工況下,各試驗截面應力實測和計算值見表3。

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由表3可見:該橋在A-A工況下 A-A截面的應力校驗系數(shù)為 0.44～0.61,在合理的范圍之內(nèi);在B-B工況下 B-B截面的應力校驗系數(shù)為 0.41～0.73,在合理的范圍之內(nèi);在C-C工況下 C-C截面的應力校驗系數(shù)為 0.45～0.83,在合理的范圍之內(nèi);在D-D工況下結(jié)構(gòu)的應力校驗系數(shù)為 0.69～0.84,在合理的范圍之內(nèi);在 F-F工況下 F-F截面的應力校驗系數(shù)為 0.64～0.76,在合理的范圍之內(nèi);在G-G工況下G-G截面的應力校驗系數(shù)為 0.68～0.80,在合理的范圍之內(nèi)。

綜合表明該橋跨結(jié)構(gòu)能滿足設計荷載作用下的強度要求。

6.2.2 偏載應力測試結(jié)果

對主跨拱肋跨中 D-D截面和L/4拱 C-C截面(溫江側(cè))進行偏心加載,各工況均為縱向 3輛車加載,偏載位置在上游側(cè),應力偏載效應系數(shù)見表4。

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由表4可見,在各工況偏載作用下,應力的偏載系數(shù)為1.48～1.56,偏載效應較為明顯。

7 結(jié)束語

通過荷載試驗可以檢測橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力、結(jié)構(gòu)剛度是否滿足設計要求,了解結(jié)構(gòu)的實際工作狀況,為大橋現(xiàn)狀做出科學客觀的評價。故荷載試驗是新橋建設檢驗的重要環(huán)節(jié),也是舊橋加固處理的依據(jù),因此加強橋梁荷載試驗的研究對橋梁安全有重要的作用。

[1]范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]范文斌.基于荷載試驗的橋梁整體安全性研究[D].中南大學,2008

[3]李海.沈陽公和斜拉橋的荷載試驗研究[D].大連理工大學,2003

[4]徐文平.既有預應力混凝土梁橋承載能力實橋試驗及分析研究[D].東南大學,2006

[5]YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S]