某在役预应力混凝土简支工字梁实桥动静载试验①

胡铁明, 褚博琦, 吴宪锴, 张 晗

(1.沈阳大学建筑工程学院,辽宁 沈阳110044;2.辽宁交通规划设计院有限责任公司,辽宁 沈阳110005)

0 引 言

随着现代交通运输行业的发展,新建桥梁在不断修建的同时对已有在役桥梁进行科学的承载能力的评估,以达到减少安全事故的意外发生以及提高在役桥梁的使用效率的目的有着非常重要的作用。桥梁荷载试验能有效的解决对在役桥梁承载能力评估及可靠新鉴定的问题[1-2]。桥梁荷载试验主要是通过检测桥梁结构在受到静力荷载作用下结构的变形和主要控制截面内力变化情况,再利用检测鉴定结果确定桥梁结构的实际工作状态是否满足设计期望要求。通过动载试验检测桥梁结构固有的振动特性及动力性能,以达到检查桥梁动响应能力是否满足设计使用要求的目的。与此同时还能作为桥梁的信息档案,为桥梁的运营及管理提供信息或参考依据,为桥梁的管理、养护维修、监测加固等积累技术资料[3-5]。

1 桥梁概况

依托某高速路段一区间内在役预应力混凝土简支工字梁桥,该桥于1999年建成。全桥跨径布置为9×(4×40m+3×40m+1×40m+2×15.205m+1×40m,桥梁全长1693.5m。桥面净宽为10.75m,内、外侧分别 设0.65m和0.50m的防 撞墙。测试区段交角为90°,上部结构为40m预应力砼I形组合梁,每孔各6片主梁,梁顶现浇23cm厚钢筋砼桥面板,纵桥向设置9道横隔梁,为先简支后桥面连续体系。

设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120。

2 有限元模型

根据桥梁结构设计图纸,采用桥梁通用分析软件Midas/civil建立结构分析模型,利用空间梁单元进行计算,材料为C50混凝土。在Midas/civil中严格遵守JTG(RC)规范中C50混凝土的材料属性。通过Midas/civil导出各控制断面内力影响线,根据影响线加载原理,通过工况优化得到最优的加载方案。模型如图1所示。

图1 有限元模型图

3 静载试验

3.1 静载试验原理

静载试验利用内力等效原则在桥梁结构测试截面上施加与控制荷载等效的静态外加荷载。静态荷载施加稳定后,利用提前布置的采集设备对桥梁结构控制截面位置在静载过程中的试验数据进行采集。主要测试内容有挠度、应变等参数。

3.2 加载方式

为了获取桥梁结构在试验过程中的受力变化关系,同时防止桥梁结构发生意外损伤,保证桥梁和人员安全,试验采用分级加载的方式。分级加载的方式能有效的采集当级加载过程中的有效数据,并且能够有时间观察在加载过程中桥梁结构是否发生变化。如果试验过程中桥梁发生异常能及时查明原因。

3.3 测试截面选取

试验截面选取采用内力等效原则。根据桥梁结构的内力包络图以及结构本身的状况等原则,按照最不利受力原则确定加载工况以及测试截面。试验的试验工况为边主梁最大正弯矩偏载试验,主要测试截面为B40附加测试截面为A40和C40。主要测试截面为B40附加测试截面为A40和C40。截面选取如图2所示。

图2 测试截面位置图

3.4 测试截面测点布置

根据桥梁结构分析计算结果,需要对试验荷载作用下测试截面挠度测点及应变测点进行布置。在测试截面的底部位置布置挠度测试点,应变测试点布置在桥梁底部且沿梁高的方向。测点数量统计如下表1所示。

表1 测试截面测点数量

3.5 加载方式及加载车辆布置

3.5.1 加载方式

正式加载时按照计算车辆的加载位置逐级加载,期间及时记录并存储每级荷载下的测量数据,直至荷载效率满足规范要求。最后进行卸载,读取卸载读数。

3.5.2 加载车辆布置

为保障桥梁结构及加载车辆在试验过程中的安全,试验采用逐级递增的加载方式,逐级递增的加载方式能有效的提高试验效率,保证试验安全。根据桥梁模型计算结果,确定在不同分级荷载作用下的加载车辆布置。

3.6 静载试验数据分析

3.6.1 试验荷载效率分析

静载试验主要是检验桥梁在接近控制荷载作用下结构控制部位与控制截面的作用效应。要求桥梁主要控制截面在试验荷载作用下所产生的作用效应与在控制荷载作用下产生的效应接近。静载试验过程的荷载效率如表2所示。

表2 静载试验荷载效率

3.6.2 挠度结果分析

试验前在控制截面处沿梁高方向粘贴光电挠度仪专用的光电靶标,试验过程中测试人员在桥下使用光电挠度仪对桥梁结构的挠度数据的采集。数据统计于表3

表3 B1-B6实测值及理论值(单位:mm)

3.6.3 应变结果分析

试验过程中利用DH3820多通道应变采集设备在桥上对数据进行实时采集。试验在三级加载作用下所测得应变实测值及理论值见表4

表4 B1-B6实测值及理论值(单位:με)

4 动载试验

4.1 动载试验原理

动载试验是指桥梁结构在受到外界环境荷载以及动力荷载激振作用下促使桥梁受迫振动的现场试验。在此过程中主要对桥梁受迫震动过程中的结构自振频率及冲击系数进行采集,同时应在此过程中观察结构的反应现象。从而得出桥梁结构在受到动力荷载作用下的性能状况。动力响应测试试验选在预应力混凝土简支工字梁进行,采用环境随机激振法进行测试桥梁上部结构竖向弯曲振动特性,即频率。

4.2 试验测点布置

试验在试验孔跨中位置各放置一个振动传感器进行测试,在测试过程中测试人员在桥上采集动载数据。

4.3 测试内容

动响应试验的主要测试内容为桥梁上部结构的自振频率、桥梁在动力荷载作用下的动应变以及桥梁的冲击系数。

4.3.1 桥梁上部结构自振频率测试

在测试过程中为了防止其它过往车辆对测试结果造成影响,在此试验过程前对测试路段采用封闭重车道和应急车道,开放超车道交通的形式进行交通管制。随后加载车辆在应急车道进行动载试验,试验结束后立即解除封道。测试结果如下表5示。

表5 上部结构自振频率

4.3.2 动力响应试验

依据桥梁结构在车辆荷载作用下的最不利工况选取桥梁的最大弯矩截面为测试断面。检测桥梁测试位置在受到移动车辆荷载情况下桥梁的动响应能力。

冲击系数的测量值与理论结果的数值对比如表6所示。

表6 击系数结果表

5 结 论

(1)静载试验作用下简支工字梁跨中最大正弯矩工况试验效率为1.00,满足测试要求。简支梁跨中最大正弯矩控制截面的主要控制测点的挠度和应变校验系数均小于1,表明桥梁实际工作状况优于理论状况。简支梁控制截面的挠度和应变与其理论值呈线性关系,且实测相对残余变形和相对残余应变均小于20%,结构处于线弹性工作状况。

(2)在动载测试的过程中预应力混凝土工字梁桥实测第一阶自振频率均大于理论值,反应结构实际刚度大于理论刚度。在车速10km/h～50km/h行车作用下结构动力增大效应小于理论状况,车速60km/h行车作用下结构动力增大效应大于理论状况。移动荷载作用下桥梁控制截面所受动应变基本呈上升变化趋势。

(3)试验的预应力混凝土简支工字梁桥在受到静力及动力荷载作用下满足试验要求。试验桥梁处于弹性工作状态,无其它不稳定状况发生,动力性能较好且具有良好的刚度。