水利工程河道橋承載能力評(píng)估與分析

王倩男

(上海中測(cè)行工程檢測(cè)咨詢有限公司，上海 200438)

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁橋建成于2007年，該橋橫跨某水利工程河道。其上部主要由預(yù)應(yīng)力空心板構(gòu)成，共5跨，每跨9片空心板；板式橡膠支座；其下部用樁柱式墩臺(tái)。

2 評(píng)估目的

采用靜荷載、動(dòng)荷載試驗(yàn)，系統(tǒng)地評(píng)估與分析該既有梁橋結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)特性、正常使用性能等，全面評(píng)價(jià)該河道橋結(jié)構(gòu)體系的承載能力。

3 靜荷載試驗(yàn)評(píng)估與分析

經(jīng)各方技術(shù)核定，選靜載試驗(yàn)對(duì)象為河道橋第5跨，主要檢測(cè)參數(shù)為：控制截面撓度與應(yīng)變、裂縫檢測(cè)(加載過程中觀察橋面板、橋臺(tái)混凝土是否產(chǎn)生裂縫)[1]。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)該河道梁橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)與受力情況，通過橋梁有限元分析軟件Midas/Civil建模計(jì)算，分析選擇出靜荷載試驗(yàn)測(cè)試截面位置為第5跨跨中。采用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)定各控制截面的應(yīng)變值；將棱鏡布置于橋面各控制截面上，通過全站儀檢測(cè)靜荷載作用下的撓度值。

3.2 試驗(yàn)加載方案

根據(jù)橋梁實(shí)際情況及設(shè)計(jì)要求，確定公路-Ⅱ級(jí)，人群荷載3.5KN/m2為該河道梁橋的理論計(jì)算荷載，根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)跨中截面的布置及受力特點(diǎn)建立橋梁整體空間模型，計(jì)算結(jié)果如下：①偏載工況下主梁彎矩588.3 kN·m，撓度-11.4mm；②偏載工況下主梁彎矩555.0kN·m，撓度-11.1mm。

加載車輛：為滿足規(guī)范規(guī)定荷載試驗(yàn)效率要求，本次試驗(yàn)選取2輛四軸載重車輛作為試驗(yàn)荷載，為方便布載，所有重車均進(jìn)行編號(hào)，正式加載前對(duì)各車輛進(jìn)行過磅稱重，實(shí)際加載時(shí)精確記錄車輛實(shí)際加載位置，加載車軸重信息如下：

重車①軸重：第1軸8.43t、第2軸8.43t、第3軸16.89t、第4軸16.89t；

重車②軸重：第1軸8.27t、第2軸8.27t、第3軸16.71t、第4軸16.71t。

加載布置及加載效率系數(shù)：車輛加載位置根據(jù)各測(cè)試斷面的設(shè)計(jì)內(nèi)力值和規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)荷載效率條件來確定。根據(jù)主梁斷面彎矩影響線，可確定測(cè)試控制截面，本次試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)加載工況，每個(gè)工況分3級(jí)加載，試驗(yàn)車輛加載布置示意圖見圖1。

Ⅰ 偏載工況：第1跨控制截面最大正彎矩 Ⅱ 中載工況：第1跨控制截面最大正彎矩

根據(jù)上述車輛加載位置，可以得到跨中控制截面主梁的試驗(yàn)荷載效率測(cè)定結(jié)果如下：(偏載工況)測(cè)試彎矩564.9 kN·m，設(shè)計(jì)彎矩588.3 kN·m，測(cè)試彎矩與設(shè)計(jì)彎矩之比0.96；(中載工況)測(cè)試彎矩536.3 kN·m，設(shè)計(jì)彎矩555.0 kN·m，測(cè)試彎矩與設(shè)計(jì)彎矩之比0.97。各測(cè)試截面靜載試驗(yàn)荷載效率滿足JTG/TJ21-01-2015規(guī)定的0.95-1.05要求。

加載方案：首先對(duì)橋梁實(shí)施預(yù)加載環(huán)節(jié)，在預(yù)加載卸載后，須等結(jié)構(gòu)得到充分零恢復(fù)以后，方可再進(jìn)入正式加載環(huán)節(jié)。正式加載采用分級(jí)加載方式，測(cè)試加載流程，見表1[2]。

表1 測(cè)試加載流程

3.3 靜荷載試驗(yàn)結(jié)果

在各工況作用下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制截面應(yīng)變、撓度測(cè)試，偏載工況作用下控制截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，見表2，典型工況作用下實(shí)測(cè)撓度及理論分析結(jié)果見表3，其中：“+”表示拉應(yīng)變，“-”表示壓應(yīng)變。偏載工況作用下控制截面撓度測(cè)試結(jié)果，見表3。

表2 偏載工況作用下控制截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 με

表3 偏載工況作用下控制截面撓度測(cè)試結(jié)果 mm

通過對(duì)該橋撓度和應(yīng)變?cè)诳刂坪奢d工況作用下的數(shù)據(jù)分析可以得出：在試驗(yàn)荷載作用下，該橋應(yīng)力與撓度校驗(yàn)系數(shù)均≤1.0；該橋測(cè)試斷面卸載后其相對(duì)殘余應(yīng)變及撓度均未超過20%，橋梁結(jié)構(gòu)在卸載后能夠及時(shí)恢復(fù)。

4 動(dòng)荷載試驗(yàn)評(píng)估與分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試

該河道橋?yàn)?等跨簡(jiǎn)支梁橋，采用有限元分析軟件midas/civil建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行模態(tài)分析，得出順橋向?qū)ΨQ振動(dòng)結(jié)構(gòu)第1階自振頻率：3.49 Hz，周期0.29s，河道橋第一階振型，見圖2。

圖2 河道橋第1階振型

4.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

通過測(cè)定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)激勵(lì)引起的微幅振動(dòng)來識(shí)別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)(自振頻率、振型及阻尼比)，在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，本次脈動(dòng)試驗(yàn)采樣時(shí)間30min，根據(jù)JTG/TJ21-01-2015規(guī)定，對(duì)簡(jiǎn)支梁測(cè)試出第1階自振頻率及振型，所有測(cè)點(diǎn)均布置在橋面上。自振頻率及振型的測(cè)量傳感器采用891-II型加速度傳感器，后續(xù)的調(diào)理器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用INV 3020C動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)。

4.1.2 結(jié)構(gòu)自振特性分析

一般在橋梁結(jié)構(gòu)存有缺損等情況下，其自振頻率會(huì)有所下降，振型出現(xiàn)變異。本次順橋向?qū)ΨQ振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)頻率理論值為3.49Hz、頻率實(shí)測(cè)值為5.15Hz，頻率比1.48，橋梁的第1階振型頻率值均大于第一階振型頻率理論值，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際整體剛度大于理論剛度。

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試

4.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試時(shí)，采用載重汽車勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，根據(jù)控制截面測(cè)點(diǎn)在跑車試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)撓度曲線進(jìn)行分析處理得出活載沖擊系數(shù)—?jiǎng)恿ο禂?shù)，可按以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：ymax為動(dòng)載作用下該測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變(或撓度)值；ymean為相應(yīng)的靜載作用下該測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變值(或撓度)值，其值可由動(dòng)應(yīng)變(或動(dòng)撓度)曲線求得：

(2)

式中：ymax為相應(yīng)的最大應(yīng)變(或撓度)值；ymin為相應(yīng)的最小應(yīng)變(或撓度)值。

4.2.2 跑車試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用一輛載重汽車，以不相同的速度勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，橋梁典型控制截面測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程響應(yīng)曲線，應(yīng)變時(shí)程曲線(15km/h無障礙行車情況)見圖3。

圖3 應(yīng)變時(shí)程曲線(15km/h無障礙行車情況)

動(dòng)荷載試驗(yàn)得出：實(shí)測(cè)中跨跨中沖擊系數(shù)平均值μ=0.071，最大沖擊系數(shù)μ=0.123，均低于理論沖擊系數(shù)(μ=0.205)，說明橋梁結(jié)構(gòu)平順。

5 結(jié) 語

經(jīng)承載能力檢測(cè)評(píng)估與分析：該河道梁橋結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下，整體剛度較大，強(qiáng)度及承載能力可滿足設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)荷載運(yùn)營(yíng)要求。在動(dòng)荷載作用下，橋梁第一階振型實(shí)測(cè)頻率大，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小，橋梁整體結(jié)構(gòu)平順，實(shí)際剛度滿足要求。