段宇 王保兵
1.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司昭通管理處,中國·云南 昭通 657000
2.云南通衢工程檢測有限公司,中國·云南 昆明 650000
為評價(jià)中國省道S101 線昭陽至永善公路改建工程K111+409.5 橋的受力狀況與工作性能,該橋是一種新型結(jié)構(gòu)形式橋,其上部結(jié)構(gòu)為直腹板帶翼箱梁,具有一定的科研試驗(yàn)性。通過靜動(dòng)載試驗(yàn)研究其真實(shí)受力狀況,靜載試驗(yàn)是在相應(yīng)的測試截面按照試驗(yàn)荷載效率合理布載并測試主梁各截面相應(yīng)測點(diǎn)應(yīng)力和位移;動(dòng)載試驗(yàn)是通過模態(tài)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)來測試該橋的固有頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)。結(jié)果表明:該橋主拉應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均未超出標(biāo)準(zhǔn)容許值1,橋梁實(shí)際工作性能很好,相對殘余應(yīng)變和殘余撓度最大值分別為9.36%和2.21%,都未超出標(biāo)準(zhǔn)容許值20%,橋梁整體處于彈性變形階段;在動(dòng)力荷載作用下,橋梁第1 階豎向自振頻率為4.883,阻尼比為0.005%,應(yīng)變測試所得沖擊系數(shù)在1.07~1.26 之間,豎向?qū)崪y的頻率大于理論計(jì)算頻率,橋梁整體結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。
直腹板箱梁 ;荷載試驗(yàn);校驗(yàn)系數(shù);動(dòng)力荷載
隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長,道路交通行業(yè)得到飛速的發(fā)展,橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)难屎恚涫褂霉δ艿恼Ec否直接關(guān)系到整條公路的運(yùn)行。為保證箱梁橋成橋后的正常運(yùn)營,需要對箱梁橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)與承載力評定來確定橋梁的真實(shí)受力狀況。
目前,全球許多的學(xué)者已對箱梁橋荷載試驗(yàn)研究與承載力評定研究,并取得了一定的研究成果。Demeke B.Ashebo[1]對斜交小箱梁動(dòng)力特性試驗(yàn)分析;Khalim,Mohse[2]等對中間隔板多室箱梁橋的荷載試驗(yàn)與橫向荷載分布系數(shù)的研究;Dereck J.Hodson[3]對箱梁橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)和有限元模擬分析的研究;錢寅泉[4]對裝配式小箱梁橋荷載橫向分布數(shù)值分析與荷載試驗(yàn)的分析研究;楊美良、石恩崇等[5]對組合式小箱梁橋基于荷載試驗(yàn)對荷載橫向分布的研究;周勇軍[6]對箱梁橋荷載試驗(yàn)和加載車輛的研究。但是目前國內(nèi)針對直腹式帶翼箱梁橋的荷載試驗(yàn)研究卻鮮有文獻(xiàn)提及。因此,開展此課題的研究具有應(yīng)用價(jià)值。
論文以K111+409.5 中橋?yàn)橐劳泄こ?,該橋位于省道S101 線昭陽至永善公路改建工程項(xiàng)目蓮峰至黃華丫口段。上部結(jié)構(gòu)是30m+16 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土帶翼箱梁,下部結(jié)構(gòu)包括的橋墩為雙圓柱式墩、其基礎(chǔ)設(shè)有鉆孔灌注樁;兩岸橋臺(tái)均為重力式橋臺(tái),設(shè)計(jì)荷載為公路-II級。橋面寬度:2x0.5m(護(hù)欄)+8m(行車道)=9m,R=800m的右偏圓曲線位于橋平面上,橋面設(shè)有2%的雙向橫坡,縱斷面設(shè)有4%的縱坡;墩臺(tái)徑向布置;全橋有2 個(gè)伸縮縫。
利用MIDAS/Civil 建立該橋梁格模型模擬公路-II 級荷載并進(jìn)行分析,在靜力荷載下測試上部結(jié)構(gòu)每個(gè)截面測點(diǎn)的應(yīng)力和位移值,分析和對比各測試面相應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力和位移值是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。
靜載試驗(yàn)主要測試橋梁上部主體結(jié)構(gòu)各控制截面測點(diǎn)的應(yīng)變、位移、卸載完的殘余應(yīng)變和殘余變形[7],綜合評價(jià)橋梁主體結(jié)構(gòu)性能。采用汽車荷載模擬設(shè)計(jì)荷載,在主體結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力影響線最不利位置加載,使其試驗(yàn)荷載效率系數(shù)在0.85~1.05 之間。根據(jù)計(jì)算分析確定該橋靜載試驗(yàn)需2 輛45T 雙后軸特重車,試驗(yàn)車滿載時(shí)軸重、軸距如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)車
應(yīng)變測試:應(yīng)變片布于相應(yīng)測試面的箱梁底部和箱梁腹板,其電阻為120Ω,靈敏度系數(shù)為2.08,標(biāo)距為10cm,運(yùn)用DH3819 無線靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
撓度測試:在各控制截面箱梁底部,采用懸掛鋼絲+吊錘+百分表的方法,既在測試截面梁底部中間設(shè)置掛鉤,在掛鉤上懸掛鋼絲,鋼絲底部懸吊重錘,重錘下面架設(shè)百分表,重錘通過固定支架來約束,如圖2所示。
圖2 撓度測試裝置示意
根據(jù)受力最不利的原理,選1#跨作為測試跨,主要測試1#跨J1、J2 和J3 截面各主梁的應(yīng)力以及變形情況,測試截面布置如圖3所示;在每個(gè)控制面梁的底部和側(cè)面布設(shè)相應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn),沿大里程方向,從左往右,J1 斷面布設(shè)14 個(gè)應(yīng)變點(diǎn)、J2 斷面布設(shè)8 個(gè)應(yīng)變點(diǎn),其中J2 斷面腹板沒有應(yīng)變點(diǎn)、梁端剪力J3 斷面布設(shè)4 個(gè)應(yīng)變點(diǎn),具體布置如圖4所示。
圖3 測試面布置圖(單位:cm)
圖4 測試面應(yīng)變和撓度測點(diǎn)布置圖(單位:cm)
在1#跨的J1、J2 和J3 三個(gè)截面依次進(jìn)行加載,每一截面加載車沿橫向布置2 輛車,加載方式分為中載和偏載,其中梁端剪力截面加載方式為偏載。結(jié)構(gòu)計(jì)算按特載45T 在最不利位置布載,取控制截面最大正彎矩和梁端最大剪力作為加載截面的控制值,荷載流程詳見表1。
表1 荷載試驗(yàn)流程
為了滿足設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的要求,試驗(yàn)車的數(shù)量和軸重是根據(jù)控制內(nèi)力等效原則來選擇,使得靜載效率ηq介于0.85~1.05,測試前對試驗(yàn)車輛進(jìn)行稱重。按式(1)[7]計(jì)算:
在試驗(yàn)加載分析時(shí),考慮2 車道荷載,設(shè)計(jì)荷載中已考慮了沖擊系數(shù),但不考慮橫向折減。通過加載位置、加載噸位等調(diào)整控制靜載效率ηq介于0.85~1.05,該橋靜載效率值詳見表2。
表2 靜載荷載效率系數(shù)
2.5.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析
在試驗(yàn)荷載作用下,應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.70~0.90 之間,表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是符合設(shè)計(jì)要求,橋梁整體工作性能良好;相對殘余應(yīng)變值小于9.36%,小于文獻(xiàn)[7]規(guī)定的20%,說明該橋整體剛度有一定余度,上部結(jié)構(gòu)處于彈性變形;在受力作用下各測試截面無異常,橋梁整體處于正常受力狀況。
根據(jù)應(yīng)變測試的結(jié)果,將每個(gè)測試點(diǎn)的彈性應(yīng)變與理論彈性應(yīng)變繪制成圖5所示。
圖5 各工況下理論與實(shí)測彈性應(yīng)變對比曲線
從圖5 可知,在試驗(yàn)荷載下,各測試面的實(shí)測應(yīng)變值與理論計(jì)算值沿橋橫向變化規(guī)律是一致的,且測試值均小于理論計(jì)算值,說明該橋橫向力傳遞正常,橋梁整體剛度分布相對均勻。
2.5.2 梁體側(cè)面應(yīng)變測試結(jié)果
在試驗(yàn)荷載下,2#梁腹板的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表4所示,根據(jù)測試應(yīng)變沿梁高度的分布,分析2#梁體中性軸的高度及工作狀況,如圖6所示。
表3 梁體側(cè)面實(shí)測應(yīng)變-梁高比較
圖6 實(shí)測彈性應(yīng)變-梁高分布圖
由圖6 分析可得,2#梁體測試應(yīng)變值沿梁高的變化具有良好的線性關(guān)系,梁腹板截面的變形符合平面假設(shè),說明2#梁在車輛荷載下處于彈性變形階段。根據(jù)線性回歸方程可得,2#梁體的實(shí)測中和軸距離梁底距離為107.34cm,理論中和軸高度為99.6cm,出現(xiàn)偏差的原因是橋面鋪裝、混凝土護(hù)欄等參與受力有關(guān),屬于正?,F(xiàn)象。
2.5.3 梁端抗剪截面測試結(jié)果
在各荷載作用下,J3 測試面2#梁每個(gè)測試點(diǎn)主拉應(yīng)變測試值與理論計(jì)算值的比較如表4所示。
表4 實(shí)測主拉應(yīng)變值與理論值的比較
由表4 可見,2#梁的J3 剪力截面4 個(gè)應(yīng)變測試點(diǎn)的主拉應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.45~0.63,滿足文獻(xiàn)7]中校驗(yàn)系數(shù)<1的要求;在試驗(yàn)過程中,對各測試截面附近進(jìn)行肉眼觀察,未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫,說明梁端抗剪承載力滿足設(shè)計(jì)要求。
2.5.4 撓度測試結(jié)果分析
在各工況下,撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.73~0.92 之間,撓度實(shí)測值的最大變形為8.21mm,為計(jì)算跨徑(29.40m)的1/3581,表明結(jié)構(gòu)的剛度有一定富余度;大部分測量點(diǎn)的殘余變形值都為0,表明該橋變形恢復(fù)較好,少數(shù)測量點(diǎn)具有殘余變形,最大相對殘余變形為2.21%,整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段和正常受力狀況。
根據(jù)撓度測試結(jié)果,將各測點(diǎn)的測試彈性撓度值與理論彈性撓度值繪制成圖7所示。
圖7 各工況下實(shí)測與理論彈性撓度對比曲線
從圖7 看出,在各工況下,測試的彈性撓度值與理論彈性撓度值沿橋橫向變化基本一致,且實(shí)測彈性撓度均小于理論彈性撓度,表明結(jié)構(gòu)整體的橫向傳力正常,剛度分配相對均勻。
本次動(dòng)力荷載試驗(yàn)主要包括是模態(tài)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)[7]。模態(tài)測試是用DH5907N 無線模態(tài)測試儀來測試橋梁自振特性;跑車試驗(yàn)是用DH5908 動(dòng)態(tài)信號(hào)測試儀來收集和分析動(dòng)應(yīng)變;用1 輛450kN 的試驗(yàn)車以10~30km/h 速度沿行車道中央勻速過橋來測試橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變。
根據(jù)環(huán)境激振下橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)和跑車試驗(yàn)的余振信號(hào),可以得出該橋自振特性和阻尼比,則測試值與理論值見表5,各階實(shí)測模態(tài)振型如圖8所示。
表5 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果
圖8 一階和二階實(shí)測振型
跑車試驗(yàn)選1#跨J1 截面和J2 截面的2#梁、3#梁,在行駛車輛荷載作用下測試橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。根據(jù)跑車試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)應(yīng)變的峰值和谷值來計(jì)算應(yīng)變沖擊系數(shù),如表6所示。根據(jù)理論計(jì)算基頻,試驗(yàn)橋梁理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.32。
表6 沖擊系數(shù)測試值
由表6 可知,隨著行車速度不斷的增加,所對應(yīng)的沖擊系數(shù)呈明顯遞增的趨勢,其增加量變化很小,動(dòng)應(yīng)變隨時(shí)間的 變化曲線較好,試驗(yàn)測得最大動(dòng)力系數(shù)為1.26,相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變增值為0.26,小于理論計(jì)算值0.32,表明橋面行車舒坦。
(1)在各工況下,靜載效率介于0.92~1.03,在規(guī)范允許值0.85~1.05 范圍內(nèi),說明靜載試驗(yàn)成立。
(2)在不同工況下,撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.73~0.92,應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.70~0.90,主拉應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.45~0.63之間,表明橋梁整體剛度大且具有一定富余度,梁端剪切力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。
(3)在不同工況下,每個(gè)測點(diǎn)的相對殘余變形和殘余應(yīng)變值均為0,其中相對殘余應(yīng)變和殘余變形最大值分別為9.36%和2.21%,都未超出20%的規(guī)范極限值,表明該橋整體處在彈性狀況,整體剛度較大。
(4)動(dòng)力測試結(jié)果表明,豎向一階、二階振動(dòng)實(shí)測頻率與理論頻率比值分別為1.245 和1.356,滿足規(guī)范中≧0.9 的要求;在跑車試驗(yàn)中,動(dòng)態(tài)應(yīng)變增值為0.26,小于理論計(jì)算值0.39,表明橋面行車舒適。