吉林市江南大桥检测与荷载试验

杨开生

(开封市通达公路工程有限公司)

1 工程概况

江南大桥,位于吉林市内,由新、旧两幅构成,桥面宽度为 17.0m+2×2.75m人行道。新、旧桥间设假缝。旧桥建成于 1940年,桥面宽 9m,全长 448.77m,共分 15孔,其中两个边孔跨径 23m,中间 13孔跨径 28.59～31.665m不等,桥梁上部形式为带挂孔的双悬臂钢筋混凝土简支梁桥,桥梁横断面由 3根T梁构成。1974年对吉林大桥向上游一侧进行了加宽,加宽的新桥部分为悬链线混凝土双曲拱桥,横断面内由9根拱肋构成,孔径分布为23m+30.59×3+31.0× 8+31.5×2+23m。

2 混凝土强度评定与外观检测

2.1 混凝土强度评定

采用回弹法分别对主梁、拱圈、桥墩、桥台的混凝土抗压强度进行了测试,并用酚酞试剂测试了相应测区的混凝土碳化深度。评定结果见表 1。

表1 简支双悬臂梁桥构件强度检测表

表中数据表明,梁桥混凝土强度评定值偏低。这些测试数据表明由于桥梁年代久,碳化深度大,测试条件已不符合测强表的应用条件,因此该评定值仅供参考,不能作为评定的依据。

2.2 外观检测

试验前,分别对桥梁各控制截面进行裂缝外观检查。试验中,观察桥梁在试验荷载作用下是否有裂缝产生,记录裂缝产生的部位、长度、宽度、间距、方向和性状,以及卸载后的闭合情况。

3 静载试验

3.1 试验内容、试验孔的选择、控制断面的选择

根据桥梁结构的特点和现场的具体条件,选取 2孔和3孔为梁桥试验孔。各断面测试内容:①1-1断面、7-7断面:支点沉降;②2-2断面:跨中梁肋下缘挠度;梁侧混凝土应变沿梁高的分布规律;梁肋底缘钢筋应变;③3-3断面:梁侧混凝土应变沿梁高的分布规律;梁肋上缘钢筋应变;④4 -4断面:基础沉降;⑤5-5断面:牛腿处主拉应力;悬臂端挠度;⑥6-6断面:挂孔跨中梁肋下缘挠度;梁侧混凝土应变沿梁高的分布规律;梁肋底缘钢筋应变;⑦8-8断面:悬臂端挠度。

3.2 测点布置

混凝土应变测点采用了标距为 10cm的电阻应变片与DH3815静态电阻应变仪组成的电测系统测定,应变测点布置于跨中截面 1#和 2#梁的侧面,各梁沿梁高设一定数量的应变测点,共设 20个测点,梁底受拉钢筋共设 2个测点。

每片主梁相应断面下缘设1个竖向挠度测点。

(1)挂梁跨中断面与简支双悬臂梁跨中断面测点布设跨中断面测点布置如图2。

(2)简支双悬臂梁支点负弯矩断面测点布设。

主梁支点断面的混凝土应变测点采用了标距为 10cm的电阻应变片与DH3815静态电阻应变仪组成的电测系统测定,应变测点布置于 1#和 2#梁支点截面的侧面,各梁沿梁高设一定数量的应变测点。在 1#梁支点断面梁顶设一个钢筋应变测点。具体情况见图 3。

(3)简支双悬臂梁悬臂端最大支点反力。在 2#墩墩身低面设2个百分表沉降测点。

3.3 加载工况与静载试验效率评价

(1)加载工况。

①工况 1:加载车重轴加载挂梁跨中,在另一方向以规范要求的最小距离加载另一辆加载车,检验挂梁跨中断面的正弯矩;

②工况 2:在悬臂梁中跨同方向加载三辆加载车,按跨中弯矩影响线最不利位置布载,检验简支双悬臂梁跨中的正弯矩;

③工况 3:在悬臂端与挂梁上,按支点弯矩影响线最不利位置布载,检验简支双悬臂梁支点的负弯矩;

④工况 4:以最重加载车后轮加载到挂梁端,检验简支双悬臂梁悬臂端最大支点反力。

(2)静载试验加载的充分程度可采用静载试验效率来评价,静载试验效率ηq按下式计算

式中:SS为静载试验荷载作用下控制截面内力计算值;S为设计荷载作用下控制截面最不利内力计算值;μ为按规范采用的冲击系数。

梁桥和拱桥各加载工况的试验荷载效应见表 2。

表2 试验荷载效应与标准荷载效应对比

由表 2可见,梁桥各截面的荷载效率均在 0.857～0.995之间,与我国《公路旧桥承载能力检测评定规程》建议值0.8～1.05基本一致,说明试验加载是基本充分的,因此可以根据静载试验的结果来推定桥梁在设计荷载下的结构响应。

3.4 试验数据分析及承载能力评定

(1)挠度分析。

由表 3可以看出工况 1、工况 2、工况4的挠度值都是1#梁梁肋底最大,1#梁的实测挠度分别为2.11mm、3.59mm、2.26mm均比试验荷载作用下计算挠度值小,考虑混凝土挠度长期效应后的相对挠度分别为 1/4440、1/5400、1/2200,这说明结构的竖向刚度满足设计要求。汽车荷载的横向分布系数与理论计算的横向分布系数的分布规律是一致的,且实测的汽车荷载的横向分布系数的最大值与理论计算值十分接近,2#和 3#梁的实测横向分布系数比理论均匀,这对结构的受力是有利的。

(2)综合因素分析。

表3 挠度分析表

综合因素主要有以下几方面。

①跨中挠度相对残余变形,当其值小于 5%,表明主梁结构处于良好的弹性工作状态。

②挠度校验系数,当其值小于 1.0,且小于钢筋混凝土梁桥挠度校验系数常见值 0.5～0.90的下限值,说明结构的竖向刚度满足使用要求,且有较大的储备。③应力校验系,其值在 0.4～0.80范围内,说明挂梁跨中断面的抗弯承载能力满足设计和使用要求。

表4 综合因素分析

由表 4可以看出桥梁在荷载作用下,能基本满足要求,但安全储备不足,另因为建造时间较长,体系内进水,钢筋受腐蚀,建议重新修建。

4 动态特性分析

进行动荷载试验或冲击荷载作用,桥梁结构的动力特性是振动系统的基本特征,如结构的固有频率(自振频率)f0,阻尼特性(阻尼比 ζ)及振型等,其数值大小与结构形式、材料性质和质量分布等结构的本身固有性质有关。结构或构件的固有频率(自振频率)和阻尼特性可由桥梁起振后所测得的有阻尼衰减自由振动记录曲线中求得。

4.1 江南大桥自振频率f

离试验桥跨后或给结构冲击荷载,由于惯性的作用试验桥跨结构的振动不会立即恢复到平衡位置,仍在自振。在进行冲击荷载试验时,突然施加于桥面的冲击荷载激起桥跨结构产生自由振动。上述两种激振方式都可使桥跨结构产生自振,但由于阻尼作用的存在,消耗了振动的能量,结果振动在不长的时间内逐渐衰减,直到桥跨结构恢复到稳定平衡位置为止。

利用放置在双悬臂简支梁跨中桥面上的加速度传感器与速度计测得冲击荷载及跑车作用下桥跨结构自由衰减振动的时域曲线,对波形进行频谱分析,获得结构的自振频率f0。实测的双悬臂简支梁的竖向固有频率为:双悬臂简支梁:f0=3.36(Hz)

根据 2004公路桥涵设计的结构的竖向振动的基频为:双悬臂简支梁f0=2.59(Hz)。实测的f0=3.36(Hz),高于按规范计算值,说明实际结构的竖向刚度略高于理论值,这与静载试验的结论是一致的。

4.2 阻尼特性

江南大桥简支双悬臂梁和挂梁的实测阻尼比分别为0.0507、0.049,在钢筋混凝土桥常见范围2.2%～5.72%内,且接近上限值,说明结构具有较大的阻尼比,这对减少结构振动有利。

5 结 论

由于钢筋混凝土梁桥漏水严重,其中牛腿处和支点断面附近混凝土破损严重,牛腿处破损尤为严重,存在严重的安全隐患。牛腿处和支点断面附近钢筋锈蚀严重;梁桥的竖向刚度满足检算荷载的设计和使用要求。支点断面的抗弯承载能力满足汽车 -15设计和使用要求,但无安全储备,不能满足挂 -80的设计和使用要求。基础的竖向承载能力满足检算荷载的设计和使用要求。

根据 2004公路桥涵设计的双悬臂简支梁基频f0=2.59 (Hz)。实测的f0=3.36(Hz),高于按规范计算值,说明实际结构的竖向刚度略高于理论值,这与静载试验的结论是一致的;江南大桥钢筋混凝土梁桥简支双悬臂和挂梁的实测阻尼比分别为 0.0507、0.049,在钢筋混凝土梁桥的常见范围2.2%～5.72%内,且接近上限值,说明结构具有较大的阻尼比,这对减少结构振动有利。

[1] 崔国宏.钢筋混凝土桥梁安全检测方法研究[D].武汉大学硕士学位论文,2004.

[2] 交通部.公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)[M].人民交通出版社,1988.

[3] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2001. 40-233.