桥梁检测中的动静载试验研究

2017-08-07叶健

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：校验挠度测点

叶健

（东莞市交通工程质量监督站,广东东莞 523000）

桥梁检测中的动静载试验研究

叶健

（东莞市交通工程质量监督站,广东东莞 523000）

动静载试验是一种桥梁实际状况检验的重要方法,可科学准确地评定桥梁结构的承载能力。结合某特大桥检测的案例,从试验对象、动静载试验参数等方面,深入对动静载试验进行分析,介绍动静载试验内容,利用桥梁专业软件midas Civil建立有限元模型,进行静力分析,通过实际试验测量值和理论值做比较,分析桥梁的承载力和对桥梁综合评定。

桥梁检测；动静载试验；有限元分析

0 引言

由于近年来交通量急剧增加,尤其是过往超载、超载车辆增加,使很多桥梁在使用期限内出现严重的病害,当然还有些因为施工管理水平、施工方法不当,赶工期,使用劣质材料等原因而出现早期病害的桥梁,需要做承载力鉴定以确保其安全运营的情况。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验对建成桥梁进行承载力鉴定,静载试验能够考察桥梁的实际工作状态和承载能力,重点分析静载试验的方案设计,为桥梁检测提供参考[1-2]；动载试验是评定桥梁运营荷载等级和实际使用情况的重要方式[3-4]。为了保障公路桥梁的质量,尤其是采用新结构、新材料、新工艺的桥梁质量,以及交通部颁布的《公路养护技术规范》（JTG H10—2009）中明确规定,必须判断桥梁结构实际承载能力,检验桥梁设计与施工质量。下面将结合工程实例对公路桥梁检测动静载试验进行简要的探讨。

1 荷载试验

桥梁的荷载试验包括静载试验和动载试验,是指在桥梁结构或构件上施加与控制荷载等效的外加静力荷载和动力荷载,通过仪器设备测试控制截面和控制部位的静、动力特性的现场试验。

1.1 试验对象

一般情况针对旧桥进行荷载试验,随着对桥梁质量控制的重视,新建的大桥、特大桥的验收也进行了荷载试验,甚至预制施工的桥梁也针对单片梁进行静力荷载试验,需进行检测的桥梁主要有以下几种:

（1）技术状况评定为四、五类的已建桥梁。（2）拟提高汽车荷载等级的桥梁。

（3）遭受重大自然灾害或意外事件或需通过特殊重型车辆荷载的桥梁。

（4）承载能力验算的作用效应与抗力效应的比值在1.0～1.2的桥梁。

（5）采用设计复核等方法也难以准确判断其能否承受预定荷载的桥梁。

（6）某些特殊情况下的桥梁也需进行荷载试验,如经过修复、加固或者改进的,对工程施工质量进行验证的,缺乏设计与施工资料的,或采用“四新”技术施工的桥梁。

1.2 试验内容

（1）静载试验参数。通过准备阶段的调查,按最不利受力原则和代表性原则选定一孔或几孔桥跨的截面为测试截面,如施工质量较差、缺陷较多、病害较重、主跨或典型跨度、异形结构等,测试截面主要试验参数见表1,多片预制梁还可以测试其横向分布系数。

（2）动载试验参数。桥梁结构的动力特性与其组成形式、刚度、质量分布和材料性质等结构本身的固有性质有关。一般有动荷载的桥梁都检测结构的自振特性和动力响应值,其他特殊情况如人行桥只检测结构的自振特性,测试截面采用与静载试验相同的桥孔,具体的测试参数见表2。

1.3 试验截面及加载位置确定

桥梁静载试验截面和加载位置要选择其最不利位置。通过有限元理论分析,通过包络图和影响线找到其最不利位置。

表1 常用桥梁结构控制截面与试验参数

表2 动载试验测试参数

（1）包洛图。在移动荷载作用下,由各截面内力的最大值连接而成的曲线称为包络图。通过有限元分析找出桥梁在移动荷载下弯矩包络图。可以确定桥梁静载试验的截面和加载位置。

（2）影响线。影响线表示结构中由沿结构跨度移动的单位载荷引起的内力、位移或反力等的数值 (称影响值)随单位载荷作用位置变化的曲线,它可用于确定在多种载荷共同作用下的影响值,也可用于确定结构上移动载荷的最不利位置。从而可以确定桥梁试验的截面位置以及加载位置。

2 工程实例

2.1 工程概况

东江特大桥东莞段起于K30+916.3,桥跨包括（2×50）m+（48+3×75+48）m；主桥上部结构采用（48+3×75+48）m的预应力混凝土连续刚构,箱梁单箱单室；桥宽双幅33.5 m,双向八车道；下部结构采用桩基础、墙式桥墩（中间墩梁固结）。刚构桥布置图如图1所示。横向布置为0.5 m（防撞栏）+15.5 m（车行道）+0.5 m（防撞栏）=16.5 m。

图1 刚构桥布置图（单位:m）

2.2 试验条件

（1）准备工作。查阅设计图纸等技术资料,现场调查该桥梁现状。成桥试验必须在桥梁结构形成整体之后进行,单片梁试验必须有防止侧翻的措施。选好精度适宜的仪器设备,编制试验方案。根据最不利原则和典型性原则,考虑到岸上作业及检测设备的安装方便,选定16#～19#墩连续刚构桥试验跨。考虑是晴天,晚上温度在20℃左右,车辆通行量少,试验时间安排在下午6点至晚上10点。

（2）试验荷载。根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）(以下简称《试验规程》)的要求,桥梁的静力试验按荷载效率来确定试验的最大荷载,对于交（竣）工验收,荷载效率取值范围宜介于0.85～1.05,加载设备选用过磅土方车。

本次静载试验加载试验需要10台约360 kN土方车,动载试验选用一辆总重约为360 kN的过磅土方车,本次试验加载采用360 kN,车辆横向布置如图2所示。

图2 加载车辆车轮间距（单位:cm）

（3）试验截面和加载位置。通过midas建立有限元分析,根据桥梁在移动荷载下的包络图和影响线得出桥梁的16#～17#跨0.4L、17#～18#和18#～19#0.5L截面正弯矩受力最大,18#墩负弯矩最大。所以选取图3中A、B、C、D作为试验截面。

图3 应变测点截面A（B、C、D）布置横断面图（单位:cm）

（4）测点布置。根据评定规程的要求,在试验跨的控制截面（图3中的A、B、C、D截面）处布置应变测点,在跨中位置及边梁1/4跨布置挠度测点如图4所示,加速度传感器布置在各检测跨中位置,如图5所示。

图4 挠度测点布置平面图

图5 动测的传感器测点布置

2.3 有限元模型分析

根据该桥设计图纸,应用有限元分析软件midas Civil,按照桥梁设计规范要求,计算出在设计荷载作用下试验截面的最大弯矩、位移及基频,如图6所示。

图6 基频计算（f=1.54 Hz）

2.4 试验加载

（1）加载工况。静载试验包括中载工况和偏载工况,从历年桥梁检测来看,在匝道桥等弯斜桥、不对称直桥,以及左右分幅桥梁中应采用偏载试验,本桥采用布置10辆过磅土方车作为偏载试验荷载,加载车的载位布置如图7所示。各工况荷载效率和动载试验荷载工况分别见表3和表4。

表3 各工况荷载效率

表4 动载试验荷载工况

（2）加载步骤。静载试验按最大控制截面内力荷载工况均分为3级,每级加载过程中其他截面内力应逐级增加,且内力不应超过荷载作用下的最不利内力。正式加载前,非工作人员退场,待一切工作安排就绪,进行预加载,以消除桥梁结构间隙和检查各试验量测仪器仪表读数是否正常。预加载车退出,各试验量测仪表读数调零,进行第一次空载读数。正式实施试验加载,每级汽车荷载驶入指定的区域就位后,稳定20～30 min后记录各量测仪表的读数。

图7 工况1～工况4车辆纵向布置简图（单位:m）

试验加载终止条件:

a.控制测点应力已达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力值时。

b.控制测点变位（或挠度）超过规范允许值时。

c.裂缝长度、数量急剧发展时。

d.发生其他破坏,如预应力筋崩断、混凝土压碎、墩台桥墩偏位、支座损坏等影响桥梁承载能力或正常使用时。

2.5 结果分析

桥梁检验采用校验系数和相对残余来评定桥梁的承载能力和工作状态。校验系数η是桥梁静载试验所得的数据（挠度、应力）与理论计算值之比。η＞1说明结构设计强度不足、不安全。η过大过小都要对其分析原因。η过小可能是桥梁结构整体工作好,也可能是材料的弹性模量高于设计值或者是桥梁有限元分析简化计算过于简单,相对残余大小反映桥梁结构的刚度。

（1）校验系数。是试验荷载作用下测量的结构弹性位移或内力值与该加载项目对应的控制截面计算内力或位移的最大值之比:

测点的相对残余指试验荷载作用下测量的结构残余位移或应变值与该荷载作用下结构的总位移或应变值之比,取值不宜大于20%:

（2）挠度测量。主要测点结果见表5,横向测点实测挠度值与加载重量关系如图8所示。

表5 挠度实测结果 mm

从图8和表5可以看出试验工况下,梁底的实测应变与加载弯距的关系线性相关系数接近1,控制截面的主要测点挠度值均小于理论计算值,挠度校验系数在0.58～0.74,挠度校验系数均小于1,能够满足《试验规程》中关于桥梁主要测点静载试验校验系数的要求。表5可知梁主要测点挠度相对残余均小于20%,桥梁具有足够的刚度和安全储备。

（3）应力应变。梁底的实测应变与加载弯距的关系线性相关系数接近1,表明试验跨的梁体在线弹性范围内工作,校验系数小于1,相对残余小于20%,结构强度满足要求。主要测点测量见表6,梁底横向测点应变与加载重量的关系曲线如图9所示。

由表6可知控制截面的主要测点的应变校验系数小于1.0,相对残余均小于20%,说明桥梁结构有足够的强度,满足设计荷载对其承载力的要求,有足够的安全储备。