高新区丰达桥服役期可靠性评价分析

崔宇鹏

(中国公路工程咨询集团路桥设计研究院分公司,湖北 武汉 430040)

桥梁是交通网的关键节点,其使用性能的好坏直接决定着交通网的通畅程度[1]。结构的承载力和稳定性在桥梁长期疲劳荷载作用下,均受到不同程度的影响[2]。桥梁检测工作能够为工程结构质量评价提供可靠的实测数据,因此,对桥梁结构进行定期检测势在必行[3]。荷载试验作为桥梁检测的重要方法,可以直接准确分析桥梁结构的承载能力,保证桥梁的安全可靠运营[4]。

1 工程概况

丰达桥位于南宁市高新区丰达路,上跨心圩江,桥梁建成于2009年。全桥共分为3跨,桥梁全长89.40 m,桥面全宽52.10 m,采用的跨径组合为:3×25 m。上部结构采用预应力混凝土空心板,每跨单幅纵向布置20片空心板,纵向采用简支结构,横向采用铰接方式连接,每片空心板底宽1.29 m,高1.12 m。采用矩形板式橡胶支座。桩柱式墩台应用于桥梁的下部结构。0#、3#台桥面处各设伸缩缝1道,桥面铺装厚15 cm,采用C40水泥混凝土桥面铺装,桥宽布置为:5.30 m(人行道)+6.40 m(辅道)+1.40 m(分隔带)+25.90 m(行车道)+1.40 m(分隔带)+6.40 m(辅道)+5.30 m(人行道)。

2 试验前后桥梁外观检查

2.1 外观检查方法

桥梁外观检查是对桥梁的外部表面和构件的表观病害全面检查,采用仪器结合人工观测的方式进行。

2.2 试验前外观检查

为确定荷载试验不同桥跨、不同试验工况下特殊观测点的位置,试验前应对桥梁的表观状况进行检查。记录既有裂缝的长度、宽度、分布及走向,并标注在结构上。如有必要,选取观测裂缝,布置裂缝宽度观测点。根据结构受力形式和荷载试验拟加载工况,重点检查控制截面和测试截面附近是否存在裂缝及其他病害。荷载试验前已完成全桥的外观检查,检查中未发现对承载力有直接影响的病害。

2.3 试验后外观检查

试验后对试验跨测试截面附近结构表观状况进行检查,核对原有病害扩展情况及检查是否有新增裂缝及其他新增病害。重点核对既有裂缝的长度、宽度及是否出现衍生裂缝,测量新增裂缝的位置、长度及宽度等。荷载试验后的外观检查中未发现新增病害。

3 静载试验

3.1 试验跨选取

丰达桥全桥共分为3跨,上部结构采用3×25 m 预应力混凝土连续空心板,综合考虑受力特性以及仪器设备的便利后,与委托方商定后,荷载试验桥跨为:丰达桥第2#跨和3#跨。

3.2 结构理论计算

3.2.1 构件几何、物理参数

荷载试验前对桥梁各构件进行了详细的尺寸测量,并对桥梁构件的混凝土强度、碳化深度等进行了回弹法检测,并对其进行了实际强度的计算。

(1)C50混凝土空心板。

丰达桥上部结构采用3×25 m预应力混凝土连续空心板,根据回弹法检测结果,空心板混凝土强度推定值>60 MPa,结合原设计图纸桥梁结构的混凝土设计强度,最终判断出该桥梁空心板混凝土强度等级为C50。参数取值如下:①混凝土弹性模量Ec=3.45×104MPa;②容重γ1=26 kN/m3。

(2)桥面系。

丰达桥C40混凝土桥面铺装厚度为15 cm,C40混凝土容重γ2=26 kN/m3。

3.2.2 有限元模型

采用数值模拟软件midas Civil建立有限元计算模型,详见图1,通过“梁格法”对丰达桥结构进行数值模拟分析。

图1 丰达桥(3×25 m预应力混凝土连续空心板)有限元计算模型

3.2.3 试验控制荷载

(1)汽车荷载等级。

荷载试验依据委托单位提供的高新区内其余桥梁的图纸资料,计算两种不同汽车荷载等级作用下的截面内力。丰达桥最不利情况下的汽车荷载等级为《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ 11—2011)[5]规定的“城-A级”,该荷载等级对应的车道荷载应在计算时采用。

(2)横向折减系数。

丰达桥行车道净宽25.90 m,车辆双向行驶,桥面划分6条机动车道。丰达桥按1～6车道进行布载计算时,车道横向折减系数分别为1.00、1.00、0.80、0.67、0.60和0.55。

(3)纵向折减系数。

根据《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ 11—2011)的规定,车道的纵向折减不在考虑之列,故不考虑纵向折减的系数。

(4)冲击系数。

按《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ 11—2011)的4.1.7.4条的要求,计算冲击系数μ为

(1)

式中:l为跨径,m。由此计算出冲击系数μ=0.190。

3.3 试验工况

3.3.1 试验加载车

静载试验选取的车辆技术指标见图2,轴距和轴重参数见表1。

表1 轴距和轴重参数

图2 试验加载车立面及侧面(单位:cm)

3.3.2 试验工况

丰达桥2#跨和3#跨共安排正载和右侧偏载5个试验工况。控制截面布置见图3。

—控制截面所在位置。图3 丰达桥静载试验控制截面(单位:cm)

3.4 测试截面及测点布置

3.4.1 测试截面

采用midas Civil进行数值模拟分析,根据内力包络图和设计荷载确定测试截面。测试截面一般包含控制截面,当现场无法或不方便在控制截面布置测点时,可调整测试位置,但须满足试验分析要求。

丰达桥共布置3个测试截面:A3、A2及Z2f。其中A3、A2分别为3#跨和2#跨空心板最大正弯矩截面,即相应工况的控制截面,因无法在2#墩支点Z2截面布置空心板下缘应变测点,所以未选取此截面为测试截面,测试截面为Z2截面往创新路方向偏移1.00 m的Z2f截面。

3.4.2 测点布置

(1)位移测点。

①挠度测点。在丰达桥空心板底面布置竖向位移测点,采用位移传感器测量,每截面20个测点,全桥共40个测点。

②支座压缩测点。空心板竖向位移包含了试验荷载作用产生的挠度和支点沉降引起的竖向位移,因此,应对支点的竖向位移进行测量,以得出试验荷载作用产生的真正的挠度[6]。静载试验仅测量支座压缩变形量,不考虑墩台变位值。

丰达桥支座压缩测点布置于3#台、2#墩、1#墩支座附近,采用位移传感器测试。将传感器固定于支座旁盖梁或帽梁处,测量该处与空心板底面的竖向相对位移值作为支座压缩变形量。16个测点布设于2#墩处,其余16个测点平均分布于1#墩和3#台处,测点共计32个。

(2)应变测点。

应变测点平均布设在丰达桥上部结构空心板A3、A2、Z2f三个截面,每截面共20个测点,全桥共布置60个混凝土应变测点。

3.5 试验过程控制

3.5.1 试验加载

(1)为检查仪器工作状态是否正常,先采用单辆试验车作为预加荷载,再进行正式加载。

(2)试验车辆将采取分级加载,在不同工况条件下,每级计算测试截面的应变与挠度。按弹性力学原理,确认该级车辆满足正常的范围,再加下一级车载。

(3)前一级加载相对稳定后,需进行有效测试及记录。控制截面最大内力加载试验时,稳定时间>5 min。

3.5.2 试验控制

在不同工况下,观测加卸载过程的薄弱部位及应变的破损情况,并与理论值对比。如发生变形及应变值超过计算值、变形分布规律异常、结构裂缝程度加大、桥体发出异响等情况,应当立即停止加载,经查明原因、落实措施后再进行试验。

3.6 试验结果及分析

对丰达桥进行了桥梁静载试验,试验过程现场温度为10.2～11.5 ℃,每个工况温度变化未超过1.0 ℃。得出数据分析结果:(1)挠度校验系数处于0.591～0.752之间,结果均≤1.0,检测跨的刚度满足设计及规范要求;(2)应变校验系数在0.372～0.809之间,结果≤1.0,检测跨的整体强度符合要求;(3)最大相对残余挠度和残余应变分别为8.4%和7.1%,结果≤20%,为弹性受力状态;(4)在静载作用下空心板两端的支座压缩变形均加大,实测最大值为0.47 mm,卸载后增加的压缩基本恢复。

4 动载试验

动载试验包括脉动试验、无障碍行车试验和制动试验,分别对丰达桥的竖弯自振频率、阻尼比、试验跨动应变、动挠度及冲击系数进行测定[7]。

4.1 脉动试验

4.1.1 测试方法

脉动试验选择环境脉动法,通过DH5907系统分析模拟采集结构振动信号,要求识别丰达桥第1阶、第2阶竖弯自振频率和阻尼比。

4.1.2 测试截面及测点布置

桥梁动载的测试截面常与桥梁结构最大振型有关。分别在丰达桥各试验跨L/4、L/2、3L/4截面处桥面行车道上安装1个竖向速度传感器测试结构的振动时域波形。要求现场采集时间≥30 min,以保证频率分辨率和提高信噪比。

4.2 无障碍行车试验

4.2.1 试验加载车

无障碍行车试验[8]采用车辆与静载试验中的车辆一致(见图2),均为三轴载重车辆。

4.2.2 试验工况

为确保桥梁结构及行车的安全性,无障碍行车试验通过行车道时保证最大车速≤40 km/h,同时在右侧行车道布置1辆总重为41 t的加载车,车速间隔10 km/h。共设计3个试验工况,即1辆试验车匀速通过试验联,时速分别为20、30、40 km/h。

4.2.3 测试截面及测试内容

无障碍行车试验过程中选择的测试截面-A3、A2截面,均为桥梁结构振动响应幅度最大的截面。通过JM3844系统对截面的动应变和动挠度进行测试,测定车辆耦合振动和桥梁自由衰减振动的动态响应,记录时间以衰减振动波形的振幅衰减至0为止。各截面动应变和动挠度分别由混凝土应变片、位置传感器进行测量[9]。

4.3 制动试验

4.3.1 测试方法、试验加载车及激振部位

制动试验采用的加载车为表1中的3#车;由于加载车总重约41 t,为确保桥梁结构和行车的安全性,试验过程中最高车速不超过40 km/h,A3、A2截面附近桥面为刹车部位。

4.3.2 测试截面、测试内容

制动试验的测试截面选取与刹车部位相同的截面,即A3、A2截面,测点布置与无障碍行车相同。通过JM3844系统测试,取得截面的动应变和动挠度数据,同时记录车辆耦合振动和桥梁自由衰减振动的动态响应,记录时间范围以振动波形的振幅衰减至0为止。

4.4 试验过程控制

(1)通过预加载试验检查测试系统的稳定性。在预定采集时间内,桥梁空载动应变、动挠度信号的零点漂移要小于最大值的5%。

(2)试验方案与试验程序根据预加载试验结果进行调整,调整完毕后进行加载试验,测试过程中避免电磁场以及对讲机的影响,观测并记录各测试参数。

(3)为确保试验安全,要根据正式试验的测试数据结果,判断测试数据是否异常。若发现零点严重偏离、幅值突变等异常情况,需要终止试验,排除故障后重新进行试验。

(4)试验荷载参数的记录要具有完整性,例如:传感器信息、适配器、采集器信息、换算系数等。

(5)为保证测试数据的准确性和完整性,待试验全部完成后,对测试数据进行检查和初步分析[10]。

4.5 动载试验结果及分析汇总

在丰达桥2#跨和3#跨进行了桥梁动载试验,由试验得出数据并分析结果:(1)由自振参数的试验结果计算出阻尼比和自振动频率。第1阶阻尼比为0.515%～0.568%,第二阶阻尼比为0.254%～1.474%。第1阶竖弯频率为5.103 Hz,比4.743 Hz的理论计算频率稍大;第2阶竖弯频率为6.055 Hz,也较理论计算频率5.285 Hz偏大。(2)在无障碍行车试验中,测定的结构实际冲击系数在0.023～0.101之间。(3)通过无障碍行车试验,最大动应变分别为9 με、10 με和9 με、8 με,最大动挠度分别为0.73 mm、0.64 mm和0.74 mm、0.60 mm,应变和动挠度相对稳定,数据较大。

5 结 论

案例试验检测全部按照国家有关标准规范的要求进行,检测过程中所采用的各种检测设备均经过检验、标定,检验过程客观、科学,检测结果具有较高的可靠性,能够在一定程度上客观反映桥梁结构服役期间的实际工作状态。由丰达桥2#跨和3#跨的静、动载试验结果数据可得出以下结论,在试验荷载作用下,丰达桥2#跨和3#跨主观测截面的应变和挠度校验系数均<1.0,该空心板上部结构具有良好的动力性能,丰达桥2#跨和3#跨的承载能力满足《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ 11—2011)规定的正常汽车荷载(城-A级)使用要求。