桥梁结构荷载试验分析与研究

危媛丞

(华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640)

桥梁结构荷载试验分析与研究

危媛丞

(华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640)

对金砂-汕樟立交桥的荷载试验结果进行分析,根据设计资料建立三维有限元模型,对相应工况进行模拟,通过模型计算值与实测挠度、应变与频率各参数的对比和分析,了解桥梁结构在各种作用力下的实际受力状态和工作状况,判别已建桥梁符合设计标准,满足使用要求。测试结果可以为有限元模型修正提供依据,同时也为桥梁使用状态评估、健康监测提供较可靠的基准模型。

桥梁结构;静载试验;动载试验;有限元分析

随着中国经济建设的发展,桥梁工程作为基础工程建设的重要部分得到了迅猛的发展,其安全性越来越引起人们的关注。为了确保桥梁的安全性,定期检查是必要的[1-2]。目前,大型桥梁和结构的状态评估技术在国内外已经受到广泛的关注和重视,成为桥梁研究领域的热点问题[3-4]。检测桥梁整体受力性能是否满足设计和标准规范要求,桥梁结构试验是评定桥梁运营质量最直接和最有效的办法(并为桥梁的安全使用提供可靠依据)。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验,静载试验可以检测与桥梁结构性能有关的参数(主要包括挠度、应变、裂缝、曲率、倾角等[5]),而动载试验则对所采集到的数据进行分析(评价桥梁的动力特性[6]),并与结构原始状态进行比较,以便了解结构因累积损伤而造成的改变[7]。试验的进行应遵从中国现行的《大跨径混凝土桥梁的试验方法》[8](以下简称《试验方法》)、《公路桥涵设计规范(合订本)》。

1 工程概况

金砂—汕樟立交桥在汕头市金砂路和汕樟路的交叉口,1990年7月竣工。主桥上部采用现浇钢筋混凝土异形连续等厚板,下部采用双圆柱墩。引桥上部采用现浇钢筋混凝土变截面连续板,下部采用三圆柱墩和板式桥台。S—N线的跨径组合为(6+8 +8+8+6)+(11+14+14+20+ 14+14+11)+(6+8+8+8+6)m, W—E线的跨径组合和S—N线相同(具体见图1和图2),桥面设计载荷为公路Ⅰ级汽车荷载,载荷人群3.5 kN/ m2[8]。

与其他桥梁相比,本试验桥梁最大特点是其桥面为一次性浇筑的整体式连续板梁,整体式板梁桥一般跨径为10 m左右,本桥最大跨径达到20 m,为大跨度整体式板梁桥,且该整体式板梁桥外形不规则,为斜交异型板梁桥。

图1 金砂-汕樟立交立面图Fig.1 Elevation of Jinsha-Shanzhang overpass

2 静载试验

2.1 静载的检测内容

该桥梁上部结构为不规则连续整体式板梁,采用有限元软件M IDAS建模时,需用板单元对其进行模拟,在中间支座处,梁与墩节点采用限制竖向位移的弹性连接约束方式。由于桥梁为连续板梁桥,因此在对此桥进行模拟计算时需要对最大负弯矩工况进行计算分析;相对于一般整体式板梁桥,该桥跨径较大,在进行模拟计算时不仅要计算跨中荷载工况,而且要分级计算多个荷载工况的最不利情况,以确定桥梁的安全性。

选取S2#墩和S1#墩之间14 m桥跨跨中最大正弯矩加载断面A-A截面、S1#墩处的最大负弯矩加载断面B-B截面、S1#墩和N 1#墩之间20 m桥跨跨中最大正弯矩加载断面C-C截面进行了静载试验,如图3所示。其检测内容如下。

1)测试2个工况下的各级试验荷载作用下截面A-A,C-C处的应变及挠度变化情况;

2)测试截面B-B处在各级试验荷载作用下的应变变化情况。

图2 金砂-汕樟立交平面图Fig.2 Plan of Jinsha-Shanzhang overpass

图3 静载试验加载截面图Fig.3 Loading surface in static loading test

2.2 试验加载方案及结构分析计算

公路桥梁静载试验采用公路Ⅰ级荷载加载。按照《公路桥涵设计规范(合订本)》,采用有限元软件M IDAS对该桥的设计活荷载作用下的内力与变形进行计算,所得结果作为理论值;根据规范布载,计算得出设计弯矩;通过在荷载效率范围内进行不断的试算,定出车辆布载的位置,计算得出试验弯矩。

静载试验时,采用4辆质量约340 kN的加载车辆作为试验荷载,考虑现场组织标准车队困难,采用弯矩等效原则。本试验“工况一”按图4的试验载位进行加载,计算在该试验荷载作用下,S2#墩和S1#墩之间14 m桥跨跨中最大正弯矩加载断面A-A截面的试验弯矩和试验荷载效率;“工况二”按类似于图5的试验载位进行加载,车后轴距S1#墩200 cm,计算S1#墩处的最大负弯矩加载断面B-B截面的试验弯矩和试验荷载效率;“工况三”试验载位与“工况一”类似,两侧车后轴间距440 cm,则计算S1#墩和N 1#墩之间20 m桥跨跨中最大正弯矩加载断面C-C截面的试验弯矩和试验荷载效率。结果见表1,试验荷载效率接近于1,表明满足《试验方法》的要求。

表1 各工况下的控制面参数Tab.1 Parametersof control plane in each wo rking condition

本次试验加载采用对称加载,加载分为二级加载,一级加载车辆为①、②,二级加载车辆为①、②、③、④,图3、图4中数据表示加载车辆编号和距离。

2.3 静载试验的测点布置

对于该桥,依据《试验方法》要求,沿14 m和20 m共2个试验桥跨挠度,提高测点17个,应变测点15个,具体布置见图6和图7。

2.4 静载试验结果分析

1)挠度数据及分析

表2筛选出“工况一”和“工况三”最大实测挠度及相应的理论挠度值。图8为“工况一”沿桥不同方向实测挠度与理论计算挠度比较图。

表2 实测挠度与理论挠度对比Tab.2 Comparative statement on experimental and theoretic deflection

从表2及图8可以看出,沿桥不同方向的实测挠度值均稍小于理论值,实测挠度曲线与理论计算挠度曲线吻合较好,挠度校验系数为0.7～1. 0,相对残余均小于0.2,满足《试验方法》条件,说明在试验荷载作用下桥跨结构较好地处于弹性工作状态,基本达到设计要求。

2)应变数据及分析

图9为“工况一”14 m跨中在第2级试验荷载作用下实测应变与理论计算应变比较图,各测点实测应变与理论值汇于表3。

图9中显示的各级荷载作用下的实测应变曲线规律性较明显,在各级加载作用下,实测应变随荷载增大线性地增加,反映出在试验荷载作用下,该桥跨结构处于弹性工作状态。通过以上数据分析可得各个测点在二级试验荷载作用下应变校验系数均在区间[0.7,1.05]内,表明结构的强度满足设计荷载正常使用的要求;相对残余应变小于20%,表明结构处于弹性工作状态,满足《试验方法》条件[7]。

图9 14 m跨中截面实测应变与理论计算应变比较图Fig.9 Comparison of experimental and theo retic strain on the section of 14 m midspan

表3 实测应变与理论应变对比表Tab.3 Comparative statement on experimental and theo retic strain

3 动载试验

桥梁结构的动力特性,如固有频率、阻尼系数和振型等,只与结构本身的固有性质有关,是结构振动系统的基本特征;另一方面,桥梁结构在实际动荷载作用下,结构各部位的动力响应,如振幅、动应力、动位移、加速度以及反映结构整体动力作用的冲击系数等,不仅反映了桥梁结构在动荷载作用下的受力状态,也反映了动力作用对驾驶员和乘客舒适性的影响。结构在运营期间一旦有较大的损伤(如梁体开裂、基础状态恶化等),结构的动力参数(如频率、阻尼等)将会出现较大的变化。

3.1 试验内容

本桥动载试验拟通过模态试验、脉动试验、行车试验、跳车试验和制动试验测定桥梁的自振特性和作为一个整体结构在动力荷载作用下的受迫振动特性(如强迫振动由移动简谐力即汽车惯性力引起[10]),以评价大桥的最大动力响应,分析结构有无较大缺陷。动载试验是采用一台质量约为35.7 t的汽车,按如下4种工况进行动载试验:1)在桥面上,汽车分别以20,30和40 km/h的行驶速度“跑车”使桥梁产生受迫振动,测量桥梁的振动频率和振幅;2)在桥面上,汽车分别以20和30 km/h的行驶速度“跑车”,在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动,测量桥梁的振动频率和振幅;3)试验跨的跨中位置,汽车后轮从约15 cm高的垫木上自由下落对桥梁产生激励振动,测量桥梁的固有振动频率和阻尼;4)在无车辆通行时,桥梁受环境自然激励,测量桥梁的固有振动频率。

3.2 动载试验结果及分析

桥梁受环境自然激励,实测脉动振动信号的典型频谱分析如图10所示,并将各种动载试验实测的数据结果汇成表4。

金砂—汕樟立交第1阶特征频率的理论值为5.820 Hz(如图11),实测桥梁振动频率为6.054 Hz,实测的频率大于理论值,表明实际桥梁结构整体刚度比设计要求的整体刚度大;实测阻尼系数小于0.05,表明结构整体弹性性能良好,基本满足设计要求。

图10 1#测点自然脉动动挠度频谱图(f=6.054 Hz)Fig.10 Frequency spectrum on dynamic deflection of measuring point 1 w ith natural oscillation(f=6.054 Hz)

表4 动载试验结果汇总表Tab.4 Summary sheet of results in dynamic loading test

图11 理论计算的第1阶竖弯振型图Fig.11 First order shape of theoretical vertical curved vibration

4 结 语

综合静载和动载试验检测结果及分析可知,测试跨桥梁目前工作状况正常,结构强度、刚度以及抗裂性能均符合《试验方法》中所规定的各项指标要求,结构处于弹性工作状态,其承载能力满足设计荷载标准的正常使用要求,可投入正常营运。测试结果可以为有限元模型修正提供依据,同时也为此类大跨度整体式板梁桥使用状态评估、健康监测提供较可靠的基准模型。

[1] MORI Y,ELL INGWOOD B R.Maintaining reliability of concrete structures(Ⅰ):Roleof inspection/repai[J].Journalof Structural Engineering,1994,120(3):824-845.

[2] MORI Y,ELL INGWOOD B R.Maitaining reliability of concrete structures(Ⅱ):Op timum inspection/repai[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(3):846-862.

[3] 李兆霞,李爱群,陈鸿天,等.大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟[J].东南大学学报(自然科学版)(Journal of Southeast University(Natural Science Edition)),2003,33(5):562-572.

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Analysis of loading test of bridge structure

WEI Yuan-cheng
(School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)

This paper aim s to demonstrate the built bridge still in accordance w ith design standards and satisfying the use requirement through analyzing the resultsof loading teston Jinsha-Shanzhang overpass.According to design information,a theoreticalmodel is built fo r simulating each condition w ith the finite element analysis software M idas-Civil.A comparison is carried out over parameters such as deflection,strain and frequency to detect the actualmechanical behavio r and operating condition of bridge structure under various working forces.The experimental results can p rovide basis and references for the rectification of finite elementmodel and final accep tanceof construction,also for the evaluation of service behavior and healthmonito ring of the bridge.

bridge structure;static loading test;dynamic loading test;finite element analysis

U 446

A

1008-1542(2010)06-0578-06

2010-05-21;责任编辑:冯 民

危媛丞(1986-),女,江西宜春人,硕士研究生,主要从事桥梁监测与地下结构方面的研究。