塔山运河大桥静动载试验研究

王鹏 吴长林 张平

塔山运河大桥建于1984年,位于徐州市贾汪区塔山乡境内,跨越京杭大运河。为了确定其技术状况,受徐州市贾汪区水利局委托,扬州大学建筑科学与工程学院工程测试中心按公路—Ⅱ级荷载标准[1,2]对该桥进行了静载和动载试验。

1 塔山运河大桥设计概况

塔山运河大桥设计荷载:汽—20,挂—100;桥面宽度:(6.5+2×0.5)m;跨径:3×50 m;矢跨比:f0/L0=1/10。上部构造采用钢筋混凝土刚架拱,横桥向由3榀刚架拱片组成。下部结构采用浆砌块石重力式桥台和混凝土重力式桥墩。基础采用钻孔灌注桩基础。该桥的受力特点是:恒载基本由刚架拱片承担,汽车作用则由刚架拱片与桥面板形成的组合结构体系共同承担[3]。

2 静载试验

2.1 加载车辆

本次试验的主要目的是检验结构承载力是否符合设计要求,故采用基本荷载加载。试验荷载选用2辆载重汽车,荷载效率系数η=0.92～1.09,即试验荷载产生的效应与公路—Ⅱ级荷载效应接近(试验车辆的轴距及其质量表略)。

2.2 加载位置

刚架拱桥的实腹段拱顶截面(A—A)、四分点截面(B—B)、中弦杆(C—C)、边弦杆(D—D)、斜撑(E—E)及主拱腿(F—F)系控制截面或杆件[3]。试验车辆分别于上述截面或杆件内力影响线的最不利位置上加载。纵向按两种加载位置布置车辆,即将试验车之重轴(中轴)分别布置于 A—A,B—B截面处,四分点截面、中弦杆、边弦杆、斜撑及主拱腿加载位置布置见图1(拱顶截面加载位置布置图略);横向按两辆车偏心布载。

2.3 测点布置

试验拱片为各跨的北边拱片。对各跨试验拱片的控制截面或杆件粘贴应变片,对试验拱片的拱顶截面布置挠度测点,对全桥墩台布置水平位移和沉降测点。应变、挠度及桥台位移测点布置见图2。

2.4 测试程序

每跨每一控制截面或杆件分两级加载,每跨2个加载截面共4个工况,全桥3跨6个加载截面共12个工况,西边跨试验加载工况见表1(中跨、东边跨试验加载工况表略)。

表1 试验加载工况表

2.5 测试结果与计算分析

2.5.1 挠度

挠度平均校验系数:η=0.77＜1.0,挠度实测值小于计算值;图3为刚架拱片拱顶截面挠度实测值与计算值关系图,由图3可见,计算值与实测值接近于线性关系。上述分析结果表明,刚架拱片处于非完全弹性工作状态[6,7]。

2.5.2 应变

应变平均校验系数:η=0.82＜1.0,相对残余平均应变:Sp′=16.2%＜20.0%。由于实腹段、斜撑及主拱腿部分应变校验系数η＞1.0,相对残余平均应变 Sp′＞20.0%,因此,刚架拱片处于非完全弹性工作状态[6]。

2.5.3 裂缝

工况1～工况 12时,刚架拱片均未见裂缝。

2.5.4 墩台水平位移与沉降

工况2,6,10时,全桥墩台最大沉降值:1.0 mm;工况4,12时,两边跨墩台最大水平位移:3.0 mm;工况 8时,中跨两墩最大水平位移:5.0 mm。卸载后墩台的水平位移和沉降基本能够恢复。试验结果表明墩台基本处于弹性工作状态。

3 动载试验

3.1 测试仪器与系统组成

本次检测采用混凝土应变计、YD-28A型动态电阻应变仪、A/D、振动及动态信号采集分析系统(CRAS 6.1)组成桥梁结构动态应变测试系统;桥梁结构振动测试系统采用G-LinkTM无线加速度传感器系统(美国MicroStain Inc)。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 冲击系数

采用一辆载重汽车以一定的速度(15 km/h～25 km/h)行驶通过桥面,根据动态应变仪检测的西跨北边拱拱顶截面和中跨北边拱拱顶截面上缘应变时程曲线进行分析计算,可得到该桥实际的冲击系数。表2列出了中跨不同速度下的冲击系数实测值与计算值[2](1+μ=1.05)的比值。

表2 冲击系数实测值和计算值比较表

冲击系数1+μ实测值/计算值=1.04～1.39＞1.0,其主要原因是各跨拱顶处下挠使桥面竖曲线不平顺及桥面凹凸不平等,车辆在该部位引起撞击所致。当试验车辆以一定的速度行驶通过桥面时,桥梁上下波动明显,使桥上行人惊慌,结构刚度不足以满足多数人能接受的感觉要求。由表2还可知,冲击系数具有随车速增大而增大的趋势。

3.2.2 自振频率

该桥一阶自振频率为1.904 3 Hz,说明该桥整体刚度偏低,使行人有较强振感,但汽车对桥梁的激振频率为 2.5 Hz～3.5 Hz,因此不会由于汽车行驶而产生共振。

3.2.3 阻尼特性

一般钢筋混凝土桥梁的阻尼比在0.014～0.36之间,该桥阻尼比为0.047 5,在正常值范围内。

4 结语

1)本桥静载试验荷载效率系数 η=0.92～1.09,试验结果表明上部承重结构——刚架拱桥处于非完全弹性工作状态,不具备一定的安全储备能力[6]。2)动载试验测得汽车荷载效应实际值大于其计算值,即该桥实际承载力低于其设计承载力;结构刚度亦不足以满足多数人能接受的感觉要求。3)本桥墩台结构基本处于弹性工作状态。4)综合上述分析结果,该桥上部结构不能满足公路—Ⅱ级汽车荷载标准的承载力要求。

[1] JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].

[2] JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3] 潘炳甫.农桥[M].北京:水利电力出版社,1989.

[4] 公路旧桥承载力鉴定方法(试行)[M].北京:人民交通出版社,1988.

[5] 顾安邦,孙国柱.公路桥涵设计手册[M].北京:人民交通出版社,1994.

[6] 胡大琳.桥涵工程试验检测技术[M].北京:人民交通出版社,2000.

[7] JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8] CECS 02,超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].