橋梁動靜態(tài)檢測與荷載試驗(yàn)研究
更新時間:2021-04-10 17:51
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以江蘇省某橋梁受損加固東邊跨的承載能力為研究對象,對橋梁進(jìn)行了動靜態(tài)檢測和荷載試驗(yàn),主要測試分析了橋梁在靜態(tài)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變和撓度變形,以及在動態(tài)荷載作用下的自振頻率、阻尼比和應(yīng)變增大系數(shù)。測試結(jié)果表明橋梁測試截面的應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求;橋梁一階豎向自振頻率實(shí)測值分別為2.26~3.13Hz,平均結(jié)構(gòu)自振頻率試驗(yàn)值大于計(jì)算值,表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度;一階豎向振型的阻尼比為0.01~0.05,處于正常范圍0.01~0.08之間。
1 工程概況
試驗(yàn)橋梁為三跨連續(xù)梁橋,全長106.0m,修建于1987年。橋梁基本參數(shù)如下:設(shè)計(jì)荷載:汽車20噸,掛車100噸;上部結(jié)構(gòu):30m+42m+30m鋼筋混凝土T梁+懸臂T梁;下部結(jié)構(gòu):重力式墩和重力式臺。由于橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn),橋梁評分等級較低(2015年為B級),同時橋梁一邊邊跨收到車輛嚴(yán)重撞擊,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對橋梁受損邊跨的承載能力進(jìn)行檢測。
2 靜載試驗(yàn)
橋梁靜載試驗(yàn)主要是通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形,從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符,它是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)最直接、最有效的辦法。測試內(nèi)容主要包括應(yīng)力測試、撓度測試等試驗(yàn)項(xiàng)目。
2.1 加載工況與試驗(yàn)效率
本橋?yàn)槿邕B續(xù)梁橋,由于只有東側(cè)邊跨受損和加固處理,其它橋跨部分完好,因此,僅針對東邊跨進(jìn)行承載能力測試,邊跨測試控制截面為跨中截面,測試工況為跨中截面應(yīng)變及撓度。擬選定4輛350kN的汽車(單車總重為350kN,要求前軸重70kN,中后軸280kN,前中軸距為325cm,中后軸距為135cm)進(jìn)行試加載。以5#梁和1#梁的跨中截面的對稱荷載的加載效率分別為0.92和0.97,符合《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》規(guī)范要求。
2.2 測點(diǎn)布置
根據(jù)橋梁受力特點(diǎn),在邊跨跨中位置布置10×4=40個應(yīng)變測點(diǎn)。應(yīng)變測點(diǎn)全部采用120Ω應(yīng)變片進(jìn)行測試,并考慮測試現(xiàn)場的溫度補(bǔ)償。
撓度觀測截面為L/4截面、L/2截面、3L/4截面,其豎向撓度采用全站儀測量。
2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及承載能力評定
2.3.1 剛度分析
邊跨撓度測量結(jié)果整理如表1(注:撓度向下為正)。
從表1可以看出,在試驗(yàn)荷載作用下,橋梁主要測點(diǎn)撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值。依照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)8.2.1中的說明,混凝土橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)ζ值小于1時,表明橋梁的實(shí)際狀況要好于理論狀況,承載能力滿足要求[1]。
結(jié)構(gòu)在卸載后的殘余的大小是說明結(jié)構(gòu)彈性工作性能的一個重要指標(biāo),因此,在卸載完畢后對結(jié)構(gòu)殘余變形進(jìn)行觀測。
2.3.2 強(qiáng)度分析
在兩種工況的試驗(yàn)荷載作用下,A-A斷面的實(shí)測值均小于理論值,校驗(yàn)系數(shù)最大值僅為0.83<1,同時在某些梁出現(xiàn)了正負(fù)號相反的情況,這主要是由于應(yīng)變片布點(diǎn)位置位于T型梁慣性軸附近,位置敏感,導(dǎo)致部分梁A-A斷面處于受拉狀態(tài)[2]。
此外,除了8#梁,B-B斷面主要測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值均小于理論計(jì)算值,校驗(yàn)系數(shù)在0.07~0.68,而8#梁的校驗(yàn)系數(shù)為3.54~4.46,遠(yuǎn)大于所規(guī)定校驗(yàn)系數(shù)的最大值1。為了8#梁的狀況進(jìn)行驗(yàn)證,我們觀察8#梁C-C截面的應(yīng)變值以及校驗(yàn)系數(shù),發(fā)現(xiàn)8#梁C-C截面在三種工況作用下,其校驗(yàn)系數(shù)僅為0.55~0.68<1,表明8#梁荷載的實(shí)際狀況要好于理論狀況,承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。
在以5#梁最大正彎矩為加載對象的工況下,C-C斷面2~10#梁的校驗(yàn)系數(shù)均小于1,然而1#梁C-C斷面兩個應(yīng)變片的校驗(yàn)系數(shù)為2.78,大于1;然而,在1#梁跨中位置最大正彎矩的工況下, 1~10#梁C-C截面的校驗(yàn)系數(shù)為0.57~1.05之間,表明該測試截面的結(jié)構(gòu)整體受力性能能滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求。荷載卸除后,該橋跨測試截面的實(shí)測殘余應(yīng)變較小,符合相關(guān)規(guī)范要求。此外,1#、2#梁校驗(yàn)系數(shù)接近于1,表明橋梁部分梁體安全儲備較小,梁體性能有所降低。
3 動態(tài)特性分析
動載試驗(yàn)主要用于綜合了解結(jié)構(gòu)自身的動力特性以及結(jié)構(gòu)抵抗受迫振動和突發(fā)荷載作用的能力,以判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和實(shí)際承載能力,同時也為使用階段結(jié)構(gòu)評估積累原始數(shù)據(jù)[3]。
本次動載試驗(yàn)采用單輛試驗(yàn)載重汽車以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h的速度在6#~8#梁之間的橋面上行使,測量橋梁結(jié)構(gòu)在行車狀態(tài)下的動應(yīng)變、沖擊系數(shù),分析橋梁的自振頻率和阻尼特性,動應(yīng)變觀測位置位于橋梁中心的5#和7#梁。
3.1 自振頻率和阻尼特性
在大橋邊跨的一階豎向自振頻率實(shí)測值分別為2.26~3.13Hz,其均值為2.87,與計(jì)算頻率的比值分別為0.94~1.31,其均值為1.20,平均結(jié)構(gòu)自振頻率試驗(yàn)值略大于計(jì)算值,表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度。
跑車試驗(yàn)在10~60km/h所測得一階豎向振型的阻尼比為0.01~0.05,在正常范圍0.01~0.08之間,但是橋梁的阻尼比較大,表明橋梁性能衰退,整體性不強(qiáng)[4,5]。
3.2 行車動力響應(yīng)
10km/h~40km/h跑車試驗(yàn),5#和7#梁C-C截面的應(yīng)變增大系數(shù)(1+?滋)為1.09~1.16,其實(shí)測結(jié)構(gòu)動力增大效應(yīng)小于設(shè)計(jì)規(guī)范取值(1+?滋=1.16),然而在60km/h跑車試驗(yàn)中,5#和7#梁C-C截面最大實(shí)測結(jié)構(gòu)動力增大效應(yīng)(1.25、1.26)均大于設(shè)計(jì)規(guī)范取值,說明橋梁在60km/h動態(tài)荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)大于設(shè)計(jì)值,動荷載實(shí)際產(chǎn)生的沖擊作用比規(guī)范考慮的要大[6,7]。
4 結(jié)束語
橋梁C-C截面的校驗(yàn)系數(shù)為0.5~1.05之間,表明該測試截面的結(jié)構(gòu)整體受力性能能滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求。
本橋撓度校驗(yàn)系數(shù)處于正常范圍之內(nèi),在試驗(yàn)荷載作用下,最大撓度小于設(shè)計(jì)控制值,滿足規(guī)范要求;橋梁主要控制點(diǎn)均小于20%控制值,結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計(jì)荷載要求。
在大橋邊跨的一階豎向自振頻率實(shí)測值均值為2.87,大于計(jì)算值,表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度;跑車試驗(yàn)測得一階豎向振型的阻尼比為0.01~0.05,處于正常范圍0.01~0.08之間。
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