黄溪河上跨桥荷载试验及分析

张雪华,郭 宏

(江西省交通工程质量监督站试验检测中心,江西 南昌 330096)

1 工程概况

黄溪河上跨桥起讫桩号K0+013.169～K0+088.169,桥梁全长75 m。桥面主要考虑15 m行车带,并在两侧各设置3 m人行道,合计桥宽21 m,本桥平面位于直线上;墩台径向布置。黄溪河上跨桥上部结构采用2×31 m预应力混凝土现浇箱梁,单箱四室结构。下部结构桥墩采用柱式墩,桥台使用U型桥台,桥墩基础使用桩基础,桥台基础使用承台+群桩基础。设计安全等级为一级,设计荷载为城市—A级,人群荷载按规范取值。

为进一步评价黄溪河上跨桥的承载能力是否满足设计要求,根据桥梁结构形式,制定荷载试验方案,并通过有限元计算软件,获取静载试验、动载试验理论响应值,为正式开展荷载试验参数控制及试验结果提供理论对比依据[1-6],也为类似桥梁提供实践参考。

2 静载试验方案设计

2.1 静载试验加载原则

(1)静载试验加载原则。

各工况下试验所需加载车辆的数量,按下式所确定的原则等效换算而得。

式中:η为静力试验荷载效率;Ss为试验荷载作用下,某一加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最大计算效应值;S为设计标准活载不计冲击荷载作用时产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值;1+μ为设计计算取用的冲击系数。

静载试验加载车参数如表1、2所示,主要采用八台40 t的三轴载重汽车。在准备阶段,需要对车辆的轮距、轴距、重量进行复测,并按照加载顺序对车辆进行排序,并将序列号贴在车上,便于后期加载的调度和安排。复测要求前轴、中轴和后轴单轴偏差尽可能控制在0.5 t以内,单车总重量偏差尽可能控制在1 t以内,若偏差超过上述值,则需要按照车辆实际情况重新开展有限元分析计算和布载。

表2 静载试验加载用车数量表

(2)静载试验加载制度及试验规则。

①试验选在稳定的天气温度中开展,并做好结构表面温度记录,便于后期进行理论验算时进行温度修正,使得理论数值更加可靠。

②在进行正式加载试验前,应该采用两辆载重加载车在桥跨试验截面进行不少于20 min持荷时间的预加载。便于检测设备及结构消除非弹性变形,提前进入工作状态。预加载完全卸载后,需待结构恢复空载状态时,再正式开展加载试验。

③在正式加载试验前应进行初读数,并每加、卸载时进行初读数和变位稳定后的读数。对结构变位最大的测点需要每隔5 min进行一次读数,才可判断结构变形是否达到稳定。

④正式加载试验按加载工况序号逐一进行,首个工况的分级加载稳定时间不宜少于15 min。结构变位达到稳定标准时才可继续进入下一阶段的加载或卸载。如果同一级荷载内,在两次相邻读数增量小于15%时,则可判定在该荷载下,结构变位已相对稳定。

(3)汽车冲击系数。

参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.2条规定计算冲击系数。

当f<1.5 Hz时,μ=0.05;

当1.5 Hz

当f>14 Hz时,μ=0.45。

在计算频率及冲击系数时,桥面铺装及桥面系等荷载以线性荷载均布于梁上。通过计算得到黄溪河上跨桥一阶竖向频率为4.317,相应冲击系数为0.243;二阶竖向频率为6.266,相应冲击系数为0.309。

2.2 静载试验方案及验算

(1)静载试验测点布设。

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233—2015),结合桥梁结构形式、受力特点等综合考虑,优先选择最大正、负弯矩截面为荷载试验截面,即选择黄溪河上跨桥第一跨跨中截面(J1截面)、墩顶附近截面(J2截面)。测试工况及测试内容如表3所示。

表3 黄溪河上跨桥测试项目及试验内容

其中,应变测点布置在箱梁底面及侧面混凝土表面,测点布置时,可根据现场情况,适当调整布置位置,采用应变片或表贴式应变计配合采集系统进行数据采集。挠度测点布置挠度测点采集系统进行数据采集,并用电子水准仪进行观测。

J1测试截面的应变及挠度测点布置见图1。

“■”—应变测点,J1截面测点首字母用A表示;“↓”—挠度测点,J1截面挠度测点首字母用C表示。

J1测试截面应变及挠度测点从左到右依次编号分别为A1—A7、C1—C3。

J2测试截面的应变测点布置见图2,J2测试截面的应变测点从左到右依次编号分别为B1—B7。

“■”—应变测点,J2截面应变测点首字母用B表示。

(2)静载试验车辆荷载布置。

①预载。据规范要求,采用4辆40 t重车行驶,依次停靠在测试截面的弯矩最不利位置进行预加载,然后匀速通过桥面,减少桥梁的非弹性变形。

②工况1:J1截面最大正弯矩正载采用8辆40 t重车进行加载,加载车辆布置情况见图3。

图3 J1截面最大正弯矩正载满载平面布置图(单位:cm)

③工况2:J1截面最大正弯矩偏载采用8辆40 t重车进行加载,加载车辆布置情况见图4。

图4 J1截面最大正弯矩偏载满载平面布置图(单位:cm)

④工况3:J2截面最大负弯矩正载采用8辆40 t重车进行加载,加载车辆布置情况见图5。

图5 J2截面最大负弯矩正载满载平面布置图(单位:cm)

⑤工况4:J2截面最大负弯矩偏载采用8辆40 t重车进行加载,加载车辆布置情况见图6。

图6 J2截面最大负弯矩偏载满载平面布置图(单位:cm)

以上4个工况,均分级加载,具体如表4所示。

表4 J1、J2截面对称加载分级加载表

由4种工况的车载布置,可以明确地看到各工况下车辆的摆设位置,在调度前应在桥上提前做好标记,便于后期车辆准确定位。

(3)静载试验理论值计算

根据本桥结构的受力特点,采用桥梁有限元程序midas Civil 2020 v1.1建立梁格计算模型,模型中共包含367个节点、516个单元。该模型从左至右依次为1#梁、2#梁、3#梁、4#梁、5#梁。

成桥状态下汽车活载效应的内力计算结果见表5。

表5 黄溪河上跨桥内力理论计算结果 单位:kN

黄溪河上跨桥加载工况、理论计算值、试验计算值及荷载效率见表6。

表6 黄溪河上跨桥加载试验计算值及荷载效率表

在试验汽车荷载作用下,黄溪河上跨桥各工况控制截面应变和挠度试验计算值见表7至表9。

表7 J1截面试验加载下控制截面测点应变计算值

表8 J1截面试验加载下控制截面测点挠度计算值

表9 J2截面试验加载下控制截面测点应变计算值

通过表5至表9可以得到各截面测点的内力、挠度、应变理论计算值,该值可在后期现场开展静载试验时作为理论对比数据,通过实测内力、挠度、应变等数据与上述值比较,可以有效地评判桥梁在荷载作用下的响应情况,判断桥梁目前的承载能力是否满足设计要求。

3 动载试验方案设计

为进一步获取黄溪河上跨桥的自振特性,或得到在动力荷载作用下的受迫振动特性,开展动力荷载试验。将第一跨作为试验跨,选择第一跨跨中D1截面作为试验截面进行脉动试验。

3.1 动载试验理论振型

对黄溪河上跨桥进行动载试验。采用有限元软件对结构的动力特性进行分析,黄溪河上跨桥一阶竖向频率为4.317 Hz;黄溪河上跨桥二阶竖向频率为6.266 Hz;黄溪河上跨桥三阶竖向频率为8.854 Hz。

3.2 动载试验测点布置

根据建立模型计算的理论振型,对黄溪河上跨桥进行测试截面及测点布置,根据现场情况选取黄溪河上跨桥跨中截面作为测试截面。

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233—2015),动试验工况如表10所示。

表10 黄溪河小桥动载试验工况一览表

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233—2015),在试验截面位置设置拾振器。

4 试验交通组织及维护措施

(1)加载车辆自重较大,加载车应严格按照调度员指挥,不得集中堆放,尽可能靠近试验跨位置,否则易引起桥梁结构局部的损伤。

(2)应严格按照规范要求,在桥梁两侧150 m外设置道路导流指示牌、占道公示牌、设置锥桶等,避免社会车辆进入,影响试验结果。

5 结 语

本次对黄溪河上跨桥进行荷载试验,根据黄溪河上跨桥结构形式,确定荷载试验截面和方案。并采用有限元分析软件midas Civil软件进行模拟验算,获取桥梁结构在试验荷载作用下测试截面的挠度及应变理论响应值。为后期正式试验获得的脉动试验、静载试验结果数据提供理论支撑。同时根据现场可操作情况,制定可行的交通组织方案,可为类似工程的荷载试验方案编制提供参考依据。