深圳市松岗高架桥荷载试验与评价

田 野 周叶飞

随着公路交通事业发展,交通量增加,车载重增大,桥梁负荷日趋加重。因早年修建桥梁设计荷载标准偏低,普遍存在承载力不足问题;随着时间推移,桥梁本身会出现各种病害,影响其承载能力和使用寿命。因此,采用适当的加固措施,提高桥梁的承载及通行能力,延长桥梁使用寿命,以适应现代化交通运输的需要。通过对桥梁的全面检测,对旧桥使用现状、承载能力做出正确的评价,根据实际情况为旧桥选择合理的加固形式[1]。根据松岗高架桥实际情况,选择粘贴钢板法加固主体结构。粘贴钢板(筋)加固法是采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位,再用螺栓锚固,使之与原结构物形成整体共同受力,提高其刚度,改善原结构的钢筋及混凝土应力状态,限制裂缝发展,达到加固补强,提高桥梁承载力的目的。

1 工程概况

松岗高架桥位于深圳市G107国道,为多跨预应力混凝土连续箱梁桥,全长 657.15 m,由3联连续梁和 3跨简支梁组成。桥跨布置为(20 m+3×24 m+20 m)+24 m+24 m+24 m+(20 m+9×24 m+20 m)+(20 m+7×24 m+20 m),桥面净宽 2×8.25 m,桥下净高5 m,设计荷载:汽车—超20级,挂车—120级。经外观检查发现其上部主要结构已经出现裂缝等病害现象,被定为三类桥,需进行加固大修[2]。根据该桥实际情况,将主要测试项目安排在南幅进行。

2 承载能力验算

分析中将加固钢板换算为钢筋直接代入截面,即将加固新增钢板按等面积换算为钢筋。粘贴钢板后,增加了钢材换算面积,导致截面中心轴下降,抗弯惯性矩提高约10%,增强了结构刚度。经分析得出主梁弯矩及抗力包络图,可知在承载能力组合下结构梁底的承载能力不足,梁顶安全储备略显不足。加固后承载能力较加固前有较大提高,完全满足结构承载能力的要求,通过计算分析说明采用粘贴法可以达到设计期望的加固效果。

3 静载试验

3.1 试验方案

根据承载能力验算及实际情况,选取南幅第三联作为试验跨,选取4个测试面,如图1所示,A—边跨截面,B—支点截面,C,D—中跨跨中截面;应变测点位置各截面相同,仅跨中截面有位移测点。

3.2 加载工况

加载车辆重量4台各34 t,加载位置见图2,限于篇幅,仅列出C,D截面加载效率(见表1)。

表1 C,D截面荷载效率

4 有限元计算分析及实测对比

4.1 有限元建模

采用ABAQUS对松岗高架桥加固后的效果进行有限元分析,建模过程的简化处理:1)据多跨连续梁在等跨情况下各跨之间内力变化不大的特点,考虑模型本身大小,仅取单跨箱梁进行有限元分析,两端的边界条件按固结来考虑[3]。2)模型按混凝土和钢板两种材料分别选取单元,混凝土弹性模量E=3.25×1010N/m2,泊松比 v=0.3;钢板弹性模量 E=2.06×1011N/m2,厚度t=0.01 m。3)基本假定:混凝土、钢板的变形符合平截面假定;钢板与被粘结混凝土梁之间无相对滑移,变形协调,即忽略粘结胶的影响。

有限元进行分级加载,得到不同工况下的梁底应力及竖向变形。

4.2 应变分析

表2为截面下缘部分受拉应变测点的实测应变与理论值(限于篇幅仅列出跨中三个截面)。

截面下缘实测应变与荷载效率之间线性相关性良好,说明在各级试验荷载作用下应变与外荷载之间有良好的线性关系。

从表2可知,最不利加载情况下,有限元计算结果与实测数据相差11%,基本一致,表明所建有限元模型正确可靠;加固后实测应变值远远小于加固前的值,说明加固效果良好,应变校验系数在0.78～1.09之间,略超出《评定规程》[4]中预应力混凝土桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求,但应变值远小于加固前实测值,表明加固效果良好。

表2 分级荷载作用下的应变值 με

4.3 挠度分析

跨中梁底左右两侧各设一个挠度测点,表3为各级试验荷载作用下的实测挠度。

表3 各截面的实测挠度 mm

从表3可知,最不利加载情况下,有限元计算结果与实测数据相差8%,基本吻合,加固后挠度值明显减少,说明刚度有明显增加。各测点挠度校验系数在0.76～1.08之间,略超出《评定规程》中预应力混凝土桥挠度校验系数在0.6～1.0之间的要求。截面主要测点挠度的实测残余较小,相对残余满足试验规范要求,说明结构处于整体弹性工作状态。

5 动载试验

动载测试内容见表4,试验载重车为30 t,行车速度10km/h;跳车速度10km/h,三角木高10cm;单车跨中制动。自振频率和阻尼采用脉动法进行测试。

表4 动载试验项目一览表

对9跨一联的边跨和中跨的动载测试,得到结构动力参数,加固前后参数见表5。

表5 加固前后的动力性能参数对比表

6 结论与建议

根据动静载试验可知:1)加固后,箱梁测试截面实测挠度和应变均小于相应的理论计算值,截面变形均衡,受力整体性良好。实测残余挠度和挠度变化、实测残余应变和应变变化均反映该桥在试验荷载作用下处于弹性工作状态。2)动载 结果表明,桥梁动力性能良好,实测基频大于理论计算值,冲击系数小于理论计算值,该桥整体刚度满足要求。3)采用粘贴钢板法进行加固,方法合理,技术可行,效果明显。该工程的成功,有效地延长了桥梁使用寿命,具有一定社会效益和经济效益,可供类似工程借鉴和参考。综上所述,加固的松岗高架桥工作状态良好,承载力、刚度满足要求,满足公路Ⅰ级的荷载等级要求。

[1] 欧建林,邝雁容.浅谈混凝土桥梁的加固改造方法[J].建材与装饰,2008(6):312-313.

[2] JTG H11-2004,公路桥涵养护规范[S].

[3] 周叶飞,董创文.江东大桥顶推钢箱梁局部受力分析[J].中外公路,2010(1):126-130.

[4] 公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)[Z].2003.

[5] 李洪琴,马丽霞,管明福.浅谈桥梁静动载试验检测方法[J].山西建筑,2009,35(22):316-317.