朱浩 胡立楷
摘要:文章通过对某已加固的连续箱梁桥进行静载试验,评估其加固后的承载能力。在试验荷载作用下,应变校验系数在0.61~0.88,挠度校验系数在0.59~0.84,均<1,表明加固后的结构强度和刚度均达到设计要求,最大残余应变和最大残余挠度的测定值分别为18.18%和17.65%,满足≤20%的要求,表明结构在设计荷载作用下维持弹性工作状态,加固措施实施效果良好。
关键词:桥梁加固;荷载试验;静载试验
中图分类号:U441+.2 文献标识码:A
文章编号:1673-4874(2024)04-0177-03
0 引言
随着交通运输业的快速发展,桥梁作为交通网络中的关键组成部分,其安全性和稳定性面临着新的考验[1]。那些建造年份较长、经历了长期环境侵蚀和重载影响的桥梁,确保其结构的可靠性变得尤为重要[2]。在此背景下,采取有效的桥梁加固措施,以适应不断变化的环境和荷载需求,成为桥梁工程领域迫切需要解决的问题。
在桥梁加固工程中,准确评估加固后桥梁的承载能力至关重要[3]。静载试验作为一种直观、可靠的评估方法,能够有效模拟桥梁在实际使用中承受的设计荷载情况,直接反映桥梁结构的承载性能和工作状态[4-5]。通过对加固后的桥梁进行静载试验,不仅可以验证加固效果,保障桥梁安全投入使用,还可以为桥梁设计、施工及后续维护提供科学、准确的数据支持。
本文旨在通过对某加固桥梁进行静载试验,深入分析其承载力,探讨静载试验在桥梁加固评估中的应用价值及其对保障桥梁结构安全的重要作用。
1 某大桥加固概况
某大桥主桥为86 m+4×136 m+86 m=716 m六孔预应力连续箱梁,采用大悬臂直腹式单箱单室,箱宽10 m,桥宽22 m,单侧悬臂宽6 m。公路等级为一级公路,设计荷载等级为汽车-超20级,挂车-120级,人群荷载为2.5 kN/m,如图1所示。
桥梁经过十多年运营,于2012年及2015年桥梁检测中发现相关病害:主桥外腹板存在斜向裂缝,箱内比箱外严重;箱内顶板存在大量裂缝修补痕迹,同时存在部分未修补裂缝,裂缝纵向发展,呈断续状况,个别裂缝伴有微水结晶现象;箱梁底板纵横向裂缝显著,主要位于底板纵向预应力筋附近,少量裂缝长宽增加;主桥连续箱梁存在一定的下挠,其中,跨径136 m的两个次边跨下挠最为严重;43#、44#桥墩顶存在纵向及横向裂缝并延伸至墩身侧面。
2016年12月开始对其进行加固施工,在箱室内增设纵向体外预应力束、箱内外腹板粘贴钢板、处理裂缝、箱外边跨底板粘贴钢板、中跨粘贴碳纤维布、43#和44#墩顶及侧面粘贴钢板。2018年3月所有加固内容施工完成。
2 静载试验
为检验桥梁加固施工质量,判断结构受力性能是否满足设计要求,对该桥进行静载试验。通过试验测定控制截面的挠度与应变,检验其能否符合设计及有关规范、规定的要求,综合评价桥梁结构承载能力状况。
2.1 荷载试验效率系数
根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG T-J21-01-2015)规定,静力试验荷载效率ηq可由式(1)计算得到:
ηq=SSS′·(1+μ)(1)
式中:
SS——静力试验荷载作用下,某一加载试验项目对应的加载控制截面内力、应力或变位的最大计算效应值;
S′——检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值;
μ——按规范取用的冲击系数值;
ηq——静力试验荷载效率。
荷载试验效率系数在桥梁检测中是一个评估静力荷载加载力度的指标,表示为响应值与理论响应值的比值,其解决了设计荷载与实际荷载不同形式间的加载问题,使得结构只需在加载集中力(试验车辆)的情况下,就能在当前截面产生与设计荷载(均布力+集中力)几乎相同的内力效应[6]。荷载试验效率系数越接近于1,越能产生等价效应。
规范规定的静力荷载试验效率ηq的取值范围为[7]:0.85<ηq<1.05。
2.2 有限元计算
根据桥梁加固图纸,利用Midas Civil软件建立桥梁结构模型(图2),对其进行静载试验理论分析,根据试验桥跨的弯矩包络图、位移包络图确定最不利截面,然后确定相应的荷载试验工况。
由于建立的有限元模型为单梁模型,因此结构在偏载、中载作用下受力状态相同。经计算,最大正、负弯矩包络图如图3所示。
2.3 确定控制截面
该结构以42#墩为轴,顺桥向对称,考虑计算的对称性、试验的经济性及规范要求,依照规范要求及有限元计算结果,总共确定了3个控制截面、6个工况。
主桥第40跨控制截面记为C截面,为最大正弯矩控制截面,位于距39#墩46.61 m处。主桥第41跨控制截面记为E截面,为最大负弯矩控制截面,位于41#墩顶梁根部。主桥第42跨控制截面记为D截面,位于距42#墩反向68 m处。控制截面布置如图4所示。
2.4 确定试验工况
根据选取的控制截面,确定该桥的试验工况如下:
(1)工况1:主桥第40跨C截面偏载最大正弯矩及挠度。
(2)工况2:主桥第40跨C截面中载最大正弯矩及挠度。
(3)工况3:主桥第42跨D截面偏载最大正弯矩及挠度。
(4)工况4:主桥第42跨D截面中载最大正弯矩及挠度。
(5)工况5:主桥第41跨E截面偏载墩顶最大负弯矩。
(6)工况6:主桥第41跨E截面中载墩顶最大负弯矩。
依据各控制截面的弯矩影响线及选用的试验车辆轴重,在有限元模型中对结构进行动态加载,确定各工况下试验车辆的布设数量、位置、荷载试验效率系数值。
各工况下控制截面的理论值、产生的弯矩值、荷载试验效率系数如表1所示,试验加载过程分级进行。
2.5 测点布置
挠度测点沿桥面两侧设置,在两个试验跨两侧的跨中、两个L/4和支点的位置,如图5、图6所示。
应变测点沿试验跨的跨中截面设置,在试验跨的跨中和支座处箱梁的底板及腹板位置布置,如下页图7~9所示。
3 静载试验结果分析
限于篇幅,工况1~6的试验结果如表2、表3所示。
主桥第40跨在最大正弯矩偏载、中载工况下,第42跨在最大正弯矩偏载、中载工况下,关键测点挠度校验系数均小于规范允许值1,梁体残余挠度比均小于规范规定值20%,满足规范要求,桥梁刚度满足加固设计要求。
主桥第40跨在最大正弯矩偏载、中载工况下,第42跨在最大正弯矩偏载、中载工况下,及墩顶在负弯矩工况下,关键测点应力校验系数均小于规范允许值1,梁体残余应变比均小于规范规定值20%,满足规范要求,桥梁强度满足加固设计要求。
4 结语
(1)试验荷载作用下,各工况应变校验系数在0.61~0.88,均<1,表明所测结构强度达到加固设计要求;各工况挠度校验系数在0.59~0.84,均<1,表明所测结构刚度达到加固设计要求。
(2)试验荷载作用下,最大残余应变为18.18%,最大残余挠度为17.65%,均满足规定≤20%的要求,表明在试验荷载作用下结构处于弹性工作状态。
(3)综上所述,加固后的桥梁在设计荷载作用下的表现优于预期,证明了所采用加固技术和方法的有效性。本次试验不仅验证了桥梁加固后的承载力,也为未来类似桥梁加固的评估工作提供了宝贵的经验和数据支持。
参考文献
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[2]DEBEES M,LULECI F,CATBAS F N. Effect of structural repairs on the load rating and reliability of a prestressed concrete bridge[J]. Advances in bridge engineering,2023,4(1): 8.
[3]程 彬.基于荷载试验的钢筋混凝土简支梁桥承载能力评估[J].能源与环保,2018,40(2):162-166,176.
[4]HU C,LUO W,CHEN S.Evaluation of bearing capacity of reinforced stone arch bridge based on static load test[C].2020 6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN ENERGY,2020.
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[7]长安大学.公路桥梁荷载试验规程[M].北京:人民交通出版社,2016.
作者简介:朱 浩(1984—),高级工程师,主要从事桥梁施工监控与检测技术研究工作。