某宽幅连续箱梁桥承载能力评定

贾 毅,田 浩,李晓章,奎智尧

(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明 650500;2.云南省抗震工程技术研究中心,云南 昆明 650500)

随着国家深入扶贫,公路事业发展迅猛,桥梁作为道路的关键一环也在日益增加。在桥梁运营过程中,混凝土梁桥易碳化开裂,对桥梁的安全使用产生严重影响。因此对既有桥梁的工作状态进行评估,以确定其各性能状况是否良好显得十分重要。

对于桥梁承载能力的评定,荷载试验是最直接和有效的方法之一。可以基于静载试验测得桥梁的强度和刚度,基于动载试验测得桥梁的自振特性和桥面平整度,从而分析桥梁的工作状态。贾毅等[1-2]研究了宽幅简支梁桥及高墩大跨连续刚构桥的承载能力;于玲等[3]采用灰色cos(x2)变换对箱梁内力进行了比较精准的预测;张征文等[4]利用荷载试验对有限元模型进行了有效修正;T.Adamakos[5]等将梁状结构单元空间系统对复合材料桥梁进行建模的新方法应用于弯曲复合材料桥梁的建模,更准确地计算了弯曲复合材料桥梁的内力和变形。目前已有研究主要集中在普通连续箱梁桥的承载能力,而很少有学者对宽幅连续箱梁桥进行研究。基于此,笔者基于福贡木尼玛大桥为工程背景,以荷载试验为手段,对宽幅连续箱梁桥的承载能力和工作性能进行研究。静载试验表明桥梁强度和刚度均满足设计要求,相对残余位移也未超限,桥梁的变形恢复能力较好;动载试验数据表明桥梁桥面较平整。研究结果为宽幅连续箱桥梁的发展和应用提供了有效依据。

1 工程概况

某连续梁桥上部结构为67 m+122 m+67 m预应力连续箱梁,车道布置形式为0.5 m(防撞护栏)+2.5 m(人行横道)+14.5 m(行车道)+2.5 m(人行横道)+0.5 m(防撞护栏)=20.5 m,桥墩支座顶梁高7.2 m,跨中位置梁高3 m,顶宽20.5 m,底宽11.5 m,腹板端部厚90 cm,跨中厚50 cm,跨中设横隔板一道。大桥设计荷载为城市-A级,设计速度为30 km/h,人群荷载2.4 kPa。桥型立面图如图1所示。

图1 桥型立面及应变测试截面Fig.1 Bridge elevation and strain test section

采用专业桥梁结构软件Midas Civil建立福贡木尼玛大桥的计算模型(见图2)。依据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21—01—2015),结合实际情况按影响线确定试验荷载的大小和位置[6]。

图2 有限元计算模型图Fig.2 Finite element model

2 静载试验

2.1 测点布置

为了满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21—01—2015)及设计要求,测试截面按照最不利受力原则选定[7]。JM1、JM3、JM5测试截面应变测点布设于截面底板,共5个测点,如图3(a)所示;JM2、JM4测试截面应变测点布设于截面底板以及靠近顶板位置的侧腹板上,共6个测点,如图3(b)所示。在L/4跨、跨中、3L/4跨、墩台顶处各设1个挠度截面(见图3(c)),各挠度测试截面的测点布设于桥面两侧,共两个测点,分别距人行道路缘石20 cm(见图3(d))。

图3 挠度和应变测点布置Fig.3 Arrangement of deflection and strain measuring points

2.2 桥梁静载试验工况

桥梁静载试验主要测其在静力荷载下的变形和位移,是评定桥梁承载能力最直接和最有效的手段和方法[8-10]。选取关键截面进行加载,一般为结构最不利位置,试验荷载的大小和位置需按内力等效原则确定,使试验荷载和控制荷载的比值控制在规范要求之内,同时确保在加载过程中各个工况的安全处于可控中[11-12]。

2.3 静载试验效率系数

确定车辆的多少是静载试验的关键步骤,按最不利控制内力和内力等效原则来确定车重,使得其荷载效率满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21—01—2015)中要求的0.95≤ηq≤1.05。根据计算结果,本次试验需要8辆370 kN级两轴载重车。

已有试验数据表明,当采用中载加载时,桥梁结构最易产生不利影响,计算得到工况1～工况10的荷载效率系数(见表1)。从表中可以看出,各个工况下荷载效率系数介于0.95～1.05,满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21—01—2015)的要求。

表1 静载试验效率系数Table 1 Efficiency coefficient of static load test

2.4 挠度测试结果

在工况1～工况10的作用下,测得各个测点的挠度,并与其对应的挠度理论值相比较,结果如图4所示,各个工况下的挠度校验系数如图5所示。从图4可以看出,在试验荷载作用下,每个截面测点测得的挠度值均小于其相应的理论计算值。桥跨结构挠度曲线光滑连续,与理论计算曲线走向一致,表明桥跨结构整体工作性能正常。从图5可以看出,挠度校验系数在0.62～0.80,满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21—01—2015)的要求,表明结构刚度符合设计要求。

图4 各截面挠度结果Fig.4 Results of deflection of each section

图5 各工况下的挠度校验系数Fig.5 Deflection check coefficient under various working conditions

2.5 应变测试结果

在各工况试验荷载作用下，测试主梁各测试截面中各测点的应变值，并与相应的有限元结果进行对比，其中应变以受拉为正，受压为负。采用DH3819应变测试系统分别对各个测点进行应变测试,主要测试这些截面的弹性应变值及总应变值以确定其受力性能。在工况1～工况10作用下,各截面应变实测值、理论值和应变检验系数如图6、图7所示,相对残余应变结果见表2。

图6 各工况下应变对比图Fig.6 Strain comparison diagram under various working conditions

从图6可以看出,在荷载作用下,各截面的应变值均小于其相应的理论值,桥梁强度满足设计要求。从图7看出,各工况下应变校验系数在0.48～0.80;从表2可以看出,相对残余应变均小于20%。结构强度和刚度均满足设计要求。

图7 各工况下应变校验系数Fig.7 Strain check coefficient under various working conditions

表2 相对残余应变Table 2 Relative residual strain

3 动载试验

3.1 自振特性测试

本次桥梁结构的动载试验包括脉动试验、无障碍行车试验、有障碍行车试验[13]。桥梁结构的自振特性(自振频率、阻尼比和振型)是桥梁的一种固有特性[14]。笔者采用环境随机激振法(脉动法)进行测试,利用DH5907N无线桥梁模态测试分析系统进行桥梁结构模态分析。经数据分析处理后得到结构自振频率实测值与其相应的理论计算值,结果见表3。

表3 模态分析结果Table 3 Results of modal analysis

3.2 动应变分析

无障碍行车试验用于测试桥面行车道铺装层较平整,车辆正常行驶的状况[15-18]。用37 t的货车1辆,分别以表4中各个工况的速度通过桥梁,测量桥梁的动力响应,通过软件分析得到冲击系数。有障碍行车试验是车辆通过路面缺陷所反映的动力响应[19-20]。用高度5 cm左右的木条模拟路面缺陷,再以表4中速度行驶通过该截面。根据动应变计算出的冲击系数与理论冲击系数结果见表4。

3.3 动载试验结果

通过模态试验分析得到该桥前三阶竖向频率分别为1.17 Hz、2.15 Hz、2.88 Hz,均大于相应的理论值(0.95 Hz、1.98 Hz、2.75 Hz)。表3数据表明,桥梁的前三阶竖向频率大于相应的理论值,其实际刚度要优于理论刚度[21]。

表4 动载试验各工况实测及分析结果Table 4 Measured and analyzed results of dynamic load test under various working conditions

根据表4可知,在动应变测试试验中,比较桥梁试验冲击系数与理论计算冲击系数,无障碍行车时的最大冲击系数μmax=0.022,小于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中的冲击系数μ=0.05,表明桥梁的冲击效应满足上述规范要求。该桥的实测自振特性及动力响应满足设计要求。

4 结 论

(1)某连续箱梁桥静载和动载试验表明,该桥挠度校验系数介于0.62～0.80,应变校验系数介于0.48～0.80,表明桥梁实际情况优于理论情况。同时测点的实测值(应变、挠度)均小于其相应的理论值,说明该桥符合设计要求。

(2)桥梁结构卸载后的相对残余应变最大值为19.1%,均小于20%,说明桥梁结构变形能迅速恢复,桥梁结构弹性较好。

(3)桥梁的前三阶竖向实测振动频率均大于相应的理论值,实测振型与理论振型较吻合,表明结构的整体刚度较大。

(4)无障碍行车工况下,桥梁的最大冲击系数小于规范值,表明桥面总体较平顺;桥梁有障碍行车工况下测得μmax=0.12,是无障碍工况的6倍左右,表明桥面行车道不平整会影响桥梁的工作性能。