基于靜載試驗的大跨度獨塔斜拉橋承載能力評定

義啟貴

(廣西壯族自治區(qū)桂東公路發(fā)展中心，廣西 梧州 543000)

0 引 言

21世紀以來，我國交通運輸行業(yè)飛速發(fā)展，橋梁工程逐漸深入到建設(shè)條件差的高原或山區(qū)中，不僅要跨越江河，也要橫跨山谷；因此大跨度橋梁的建設(shè)越來越常見，而獨塔斜拉橋的建設(shè)，是能夠彌補連續(xù)箱梁跨中下?lián)辖M合結(jié)構(gòu)的不足之處，獨塔斜拉橋關(guān)鍵在于獨塔的設(shè)計參數(shù)和標(biāo)準來扣住拉索，從而可以實現(xiàn)更大的跨越效果。目前，國內(nèi)外學(xué)者對大跨度斜拉橋的研究比較多，主要研究調(diào)整索力和主塔的承載力或截面形式，關(guān)于承載能力評定方法的研究較少[1-3]。尹波[4]就斜拉橋的荷載試驗進行了研究，以成橋后的工作狀態(tài)與設(shè)計時的線型進行對比，判斷該橋是否符合設(shè)計要求，通過靜載試驗、脈動試驗及跑車試驗得出該橋滿足靜動力承載要求；陳思遠[5]對單塔單索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋進行靜力荷載試驗及動力荷載試驗，通過分析兩種試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)實測結(jié)果，得出該橋滿足承載能力要求；賴錦興對雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋進行了靜動載試驗研究，驗證了該橋滿足承載要求；江曉鳴[6]認為橋梁的靜力試驗和動力試驗?zāi)軌虺浞终鎸嵉胤磻?yīng)橋梁正常使用和正常運營的工作狀態(tài)，通過對某新建的獨塔混合梁斜拉橋做靜力試驗和動力試驗，可以推出此方法確實可以評定橋梁的工作狀況和承載能力。相對殘余應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)考慮承載能力和變形要求的重要參數(shù)，針對兩種不同工況下的相對殘余應(yīng)變對比，進一步驗證該橋滿足承載力和變形要求。

1 工程概況與有限元建模

以湘西州保靖縣酉水三橋為研究背景，該橋主跨101 m，邊跨196 m，次邊跨62 m，橋梁總長為376 m，邊跨設(shè)有輔助墩，橋面寬31.5 m，主塔與扣鎖固結(jié)在一起，有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型圖

2 靜力荷載試驗

2.1 試驗內(nèi)容

現(xiàn)場試驗人員通過肉眼觀察橋梁結(jié)構(gòu)表面是否產(chǎn)生裂縫，是否有較為明顯的損壞痕跡，靜載試驗的主要內(nèi)容是通過測量儀器和回彈儀等一些規(guī)范工具對梁體的一些試驗參數(shù)進行測試。

2.2 測點布置

測點的選取應(yīng)通過計算和規(guī)范給出，得出橋梁結(jié)構(gòu)的最不利位置或應(yīng)力內(nèi)力相對較大的地方以及較薄弱的截面和內(nèi)力形式較為復(fù)雜的截面。選取結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高和較不利截面，以此來判斷該結(jié)構(gòu)是否能夠抵擋住特殊情況下的受力，通過選擇常規(guī)截面驗證橋梁在一般使用條件下是否滿足使用要求。通過對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載后，測出計算書上已測得的數(shù)據(jù)，再和理論計算出的數(shù)據(jù)進行比對。全橋選取測試部分的編號見表1。

2.3 試驗加載

通過荷載計算出的三軸載重車的加載方式進行加載。試驗加載使用的汽車給到橋梁的荷載模擬設(shè)計標(biāo)準荷載，在合理范圍內(nèi)對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載，所加荷載不至于讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。試驗前會對加載車進行配重并對其進行編號，滿足要求即可到荷載試驗的現(xiàn)場指定加載車輛的施荷位置。

表1 測試斷面布設(shè)圖

2.4 試驗荷載工況

根據(jù)理論計算，選取兩種主要影響橋梁結(jié)構(gòu)承載力的兩種工況來進行荷載試驗，第一種工況為對稱布置荷載，根據(jù)跨中計算的最大正彎矩和豎向撓度進行；第二種工況為偏載分布，根據(jù)中跨計算的最大正彎矩進行；第三種工況為根據(jù)主梁最大負彎矩對稱分布荷載；并且每種荷載工況應(yīng)滿足荷載效率系數(shù)的規(guī)定，在0.85～1.05之間。

3 結(jié)果的測試及分析

3.1 肉眼觀測裂縫

對需要進行荷載試驗的橋梁找到對應(yīng)的標(biāo)準，并采用肉眼觀察法進行外觀質(zhì)量檢測，在此次荷載試驗中外觀檢測結(jié)果合格。

3.2 應(yīng)變計測試應(yīng)變結(jié)果及分析

在做荷載試驗之前，應(yīng)在各個測試截面或測點提前貼好應(yīng)變片，在荷載試驗過程中應(yīng)確保應(yīng)變片貼的牢固，不能在試驗過程中導(dǎo)致應(yīng)變片掉落，而使應(yīng)變測試結(jié)果不準確。在確保上述環(huán)節(jié)順利完成后，通過加載車輛駛?cè)霕蛄簩Y(jié)構(gòu)進行加載以后觀察應(yīng)變計的讀數(shù)，可知應(yīng)變測試結(jié)果如表2、圖2、表3、圖3、表4和圖4所示。

表2 各測點在第一種工況加載作用下的應(yīng)變

表3 各測點在第二種工況加載作用下的應(yīng)變

表4 各測點在第三種工況加載作用下的應(yīng)變

圖2 工況1應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖

圖3 工況2應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖

圖4 工況3應(yīng)變測點分析結(jié)果對比圖

根據(jù)上述圖表可知： 結(jié)構(gòu)在荷載試驗計算書中，所計算的三軸加載車完全加載后，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生內(nèi)部變形，內(nèi)部之間會有對應(yīng)的應(yīng)力產(chǎn)生，最大的應(yīng)變值為236 με，最小的應(yīng)變值為-411 με，而實際測得的應(yīng)變值小于有限元模型荷載試驗計算書上的應(yīng)變值，所測測點中應(yīng)變校核系數(shù)上下浮動較大，最小為0.60，最大為0.83，均滿足不大于1的要求；在完全將加載車卸下之后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了殘余應(yīng)變，材料內(nèi)部相對原始殘余應(yīng)變最大為7.14%，滿足不大于20%的要求，說明該梁在整個加載過程并且卸載之后一直滿足設(shè)計對其所需的要求。

3.3 測得撓度結(jié)果并分析

在測得現(xiàn)場所布測點的撓度值后，要對所測撓度值進行修正，才能得出最后的現(xiàn)場撓度實際測得值，再求出各測點在荷載試驗下的撓度值，測試結(jié)果如表5、表6、表7和圖5、圖6、圖7所示。

表5 各測點在第一種工況加載作用下的位移

表6 各測點在第二種工況加載作用下的位移

表7 各測點在第三種工況加載作用下的位移

圖5 工況1測點結(jié)果對比圖

圖6 工況2測點結(jié)果對比圖

圖7 工況3測點結(jié)果對比圖

由圖表可知:撓度理論計算最大值為129.8 mm，最小值為80.8 mm，最大值和最小值同時發(fā)生在工況二荷載作用下的情況，在理論計算中，工況二荷載作用下會導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變形較為明顯，通過實際撓度測得值可知，撓度實測最大值92.1 mm，撓度實測最小值66.7 mm，可以印證理論計算中判斷的該結(jié)構(gòu)內(nèi)部會存在一定明顯的變形；將荷載試驗指定車輛加載到橋梁結(jié)構(gòu)上時，實際測得的撓度值小于有限元軟件計算荷載試驗書上的撓度值，說明該結(jié)構(gòu)在載荷作用下結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài)，在日后的正常運營條件下，也能滿足正常設(shè)計要求和使用年限；所測測點中撓度校核系數(shù)分布較為集中，在0.70左右波動，最小為0.69，最大達0.80，這兩種荷載工況作用下?lián)隙刃：讼禂?shù)最大值為0.80，均滿足不大于1的要求；在完全卸下加載車輛以后，橋梁結(jié)構(gòu)會有些許殘留應(yīng)變，結(jié)構(gòu)在巨大荷載的強烈加持下，會有適當(dāng)?shù)奈灰坪妥冃螣o法恢復(fù)原始的位置，在一定的合理允許范圍內(nèi)，可以存在一定的最大殘余值，其材料內(nèi)部相對原始最大殘余撓度為2.71%，滿足不大于20%的要求，說明梁板在荷載試驗的全過程滿足合理使用要求。

3.4 應(yīng)變和撓度相對殘余應(yīng)變對比分析

在荷載試驗中，對結(jié)構(gòu)進行加載會產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生作用力與反作用力，會有一定的撓度，相對應(yīng)的會產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)結(jié)構(gòu)上的載荷卸去以后，結(jié)構(gòu)會隨著載荷的移置，變形也會慢慢恢復(fù)，若結(jié)構(gòu)能完全恢復(fù)加載之前的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)便是彈性工作狀態(tài)，說明計算所得的加載方式是符合結(jié)構(gòu)設(shè)計允許承受范圍之內(nèi)的，若結(jié)構(gòu)不能完全恢復(fù)加載之前的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性狀態(tài)，會有一定的殘余應(yīng)變，其對應(yīng)會有相對殘余應(yīng)變的產(chǎn)生，相對殘余應(yīng)變的大小也是結(jié)構(gòu)所需考慮的一個重要指標(biāo)。結(jié)合應(yīng)變和撓度的理論值與測試值，取兩種主要荷載工況，考慮不同工況組合作用下，對比撓度和應(yīng)變的相對殘余應(yīng)變值如圖8、圖9所示。

圖8 不同工況下應(yīng)變相對殘余應(yīng)變對比圖

圖9 不同工況下?lián)隙认鄬堄鄳?yīng)變對比圖

結(jié)合不同工況下應(yīng)變和撓度相對殘余應(yīng)變對比圖，可知：應(yīng)變和撓度的相對殘余應(yīng)變在兩種工況下相差不大，兩種工況下?lián)隙认鄬堄鄳?yīng)變最小為1.76%，和最大相對殘余應(yīng)變相差0.95%，撓度相對殘余應(yīng)變變化幅度較小，可知不同測點所處位置的變形存在一定連續(xù)性，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一個有機整體；兩種工況下應(yīng)變相對殘余應(yīng)變最小為0，最大為7.14%，相對殘余應(yīng)變變化較為明顯，說明該橋內(nèi)部受力可能存在不均勻的地方，但兩者差值滿足設(shè)計要求；由圖表可知，最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.14%和2.71%，可知這兩者的最大相對殘余應(yīng)變均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，因此該橋在理論計算的加載中和卸載后均能滿足該橋的正常使用要求，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件和受力部位處于彈性工作狀態(tài)，是一種積極的受力狀態(tài)。

4 結(jié) 論

以理論實際相結(jié)合為出發(fā)點，建立有限元模型，通過模擬兩種工況來對該橋進行靜載試驗，通過肉眼觀測法橋梁結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂縫，通過有限元軟件計算出結(jié)構(gòu)的最不利荷載，根據(jù)計算結(jié)果算出加載車輛的類型和數(shù)量，對結(jié)構(gòu)施以給定的荷載得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及撓度，去工程現(xiàn)場用全站儀和回彈儀等一些儀器測量理論計算的參數(shù)，通過在規(guī)范內(nèi)允許的范圍比對兩者數(shù)據(jù)，并對比不同工況下應(yīng)變和撓度的相對殘余應(yīng)變，可知該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變形存在一定連續(xù)性，并且結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力存在不均勻的地方，但整體而言滿足結(jié)構(gòu)受力要求，該橋主要構(gòu)件和受力部位處于彈性工作狀態(tài)，得出該橋的承載能力及穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計要求。在以后同類型的荷載試驗中，可適當(dāng)考慮相對殘余應(yīng)變對結(jié)構(gòu)的評判要求，在該橋日后的運營中應(yīng)多注意橋梁內(nèi)部的受力狀況并定期定量進行檢測和養(yǎng)護。