斜拉桥承载力的评定方法.pdf

'第31卷第3期2014年3月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentV01．31No．3Mar．2014doi：10．3969／j．issn．1002-0268．2014．03．011斜拉桥承载力的评定方法赵敏1，王凡2(西安工业大学建筑工程学院，陕西西安710032)摘要：以某斜拉桥为试验对象，介绍了预应力混凝土斜拉桥承载力的评定方法。通过静载和动载试验，获得了桥梁控制截面的应变、挠度等随加载变化的情况；通过理论值与试验值的对比分析，对桥梁的承载能力和安全性能进行了研究，以检验桥梁结构在试验荷载作用下的实际受力状况是否满足设计及规范要求。结果表明：各测点应变、挠度、索塔偏位和索力测试校验系数均满足规范关于校验系数的规定；桥梁结构的实际刚度能满足公路I级荷载使用要求，且有一定的安全储备；试验结构实测残余挠度均不大于20％，表明结构在试验荷载作用下尚处于弹性工作状态；以动载试验和测量数据建立的模型分析可知桥梁振动正常，实测结构阻尼反映其阻尼系数较小，说明桥梁结构振动衰减正常，无明显结构损伤缺陷，试验桥梁符合规范要求。关键词：桥梁工程；承载力；模态实验：MIDAS计算；斜拉桥中图分类号：U448．271+．2文献标识码：A文章编号：1002—0268(2014)03—0065—05AnEvaluationMethodofBearingCapacityofCable·stayedBridgeZHAOMinl，WANGFan2(SchoolofArchitecturalEngineering，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’anShaanxi710032，China)Abstract：Takingacable—stayedbridgeastheexperimentobject，theevaluationmethodofbearingcapacityofprestressedconcretecable-stayedbridgeisintroduced．Basedonstaticanddynamicloadingexperiment，theregularityofstrainanddeflectionofthecontrolingsectionvaryingwithloadingisfound．Throughcomparingthetheoreticalvaluewithexperimentalvalue，thebearingcapacityandthesafetyproformanceofthebridgeareanalysedtotestwhetherthebridgestructureinactualstressstatemeettherequirementsofthedesignandtherelativespecification．Theresultshowsthat(1)allthecalibrationcoefficientsofstrain，deflection，cablepylondeviationandcableforcetestingofeachmeasuringpointmeetthestipulationinspecification；(2)theactualstiffnessofthebridgecansatisfytheservicerequirementofhighwayloadclassI，andhascertainsafetyreservation；(3)themeasuredresidualdeflectionsoftheteststructurearenotgreaterthan20％，whichmeansthatthestructureisstillintheelasticworkingstateundertestload．Usingthemodelestablishedbydynamicloadtestandmeasurementdata，theanalysisresultshowsthatthebridgevibrationisnormal，themeasuredstructuraldampingreflectssmalldampingcoefficient，thebridgestructurevibrationattenuationisnormal，noobviousstructuraldamagedefect，theexperimentbridgemeettherequirementintherelativespecification．Keywords：嫡dgeengineering；bearingcapacity；modalexperiment；MIDAScalculation；cable—stayedbridge。引言姜釜?昙蓁喜矍誓嘉纂蓁蓊蓁雾誉含三耋蓑爹凳随着我国交通事业的发展，新建桥梁越来越了适应交通运输载重量不断发展的要求，充分利收稿Et期：2013—08—22作者简介：赵敏(1970一)，女，陕西杨凌人，副教授．(652032827@qq．com) 公路交通科技第31卷用现有的桥梁，使之能继续安全地为交通运输服务，根据交通部颁布的《公路养护技术规范》的要求，必须对桥梁进行鉴定。通过合理设计检测的方法，逐步建立桥梁健康监测系统，确保桥梁长期安全运营，为今后类似桥梁的承载力检测提供参考依据¨。o。由于设计和施工欠缺、材料性能退化、超载以及自然灾害作用等，造成大量既有桥梁损伤，导致其承载力、安全性和可靠性下降。对既有桥梁进行检测和评估，真正了解桥梁实际状态，防患于未然，可以使得既有桥梁技术改造决策更加科学、改造技术方案更加经济合理，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。对于斜拉桥梁的承载力评估主要采用的方法有基于外观调查评定法、以设计规范为基础的验算评定法、荷载试验法、专家系统评定法等。目前最常用的是外观评价与荷载试验相结合的方法¨]。但大部分方法都比较单一地利用荷载试验，忽略了试验本身误差的影响。桥梁系统建模对于设计可以做出许多理想的假定，但对于评估而言，必须将预测结构系统行为的模型与行为中不确定性的估计结合起来，在建立桥梁结构有限元模型之初尽可能地消除或减小系统建模带来的误差旧o。因此本文结合桥梁现场环境荷载试验和MIDAS2010程序仿真模拟计算，提出一套试验与仿真模拟相结合的桥梁承载力评估方法，包括静载、动载试验、试验值与理论计算的对比分析等¨o。1工程概况桥梁主桥跨径组合为(75+150+75)m的双塔独柱式单索面预应力混凝土箱梁斜拉桥，主墩处为塔、梁固结、梁墩分离体系。主梁采用抗风性能很好的近似三角形断面，单箱3室结构，箱梁顶宽32．5m，箱梁底宽4m，悬臂板长5m，设双向2％横坡。塔上索距2．6m，索面距1．32m。主塔为双柱式塔，桥面以上塔高52．8m，为钢箱断面，外形尺寸为3．4mX7．984m(底部)，2．87m×2．88m(顶部)，腹板上设置有一定数量的纵向加劲肋，且间距3m左右设置横隔板。斜拉索采用OVM250拉索体系，全桥共16对斜拉索，共64根，所有斜拉索均在梁端张拉。主墩采用柱式桥墩，主墩基础采用16根q)180的钻孑L灌注桩，桩长为59．5m，桩尖进入强风化砂岩层。图1桥梁立面图(单位：m)Fig．1Bridgeelevation(unit：m)2试验方案和实施过程2．1静载试验本桥静载试验选择主桥中、边跨进行。主要测试内容如下：(1)主桥箱梁正应力及其沿梁高、梁宽的分布规律在主桥箱梁内黏贴阻值为120n的应变计，测试试验荷载作用下应变沿桥宽的分布情况。由静态应变测试仪DH3815N采集信息，通过电脑自动记录。为排除测试过程中大气温度变化带来的影响，采用搁置在测点附近事先贴好应变计的混凝土块件，实现温度补偿。(2)箱梁竖向挠度主桥箱梁挠度均采用精密水准仪进行测量。(3)主桥箱梁偏载效应及其增大系数主桥主要荷载试验工况分别测试中载工况和偏载工况，进而分析出偏载效应，通过与理论计算值的比较，确定偏载增大系数HJ。2．1．1测试截面与试验工况主桥测试跨为54墩侧边跨和64墩中跨。试验分为6种工况。工况1：边跨最大正弯矩(挠度)测试工况，中载，测试断面s1(在主梁边跨距54墩顶伸缩缝中心线28．125m处)，10辆车。工况2：工况1偏载，10辆车。工况3：塔柱最大弯矩测试工况，中载，测试断面S2(距6。墩塔底1．715m处)，16辆车。工况4：主梁最大负弯矩测试工况，中载，测试断面s3(主梁64墩顶右侧4．5m处)，16辆车。工况5：中跨最大正弯矩(挠度)测试工况，中载，测试断面S6(中跨跨中)，14辆车。工况6：工况5偏载，14辆车。其中本次试验经计算共用16辆加载车。试验车辆轴重的均值为32．93t。一般测点布置在变截面处，具体布置如图2、图3所示。 第3期赵敏，等：斜拉桥承载力的评定方法67图2主梁截面测点布置示意图Fig．2Arrangementofmeasuringpointsonmaingirdercross-section图3主塔截面测点布置图Fig．3ArrangementofmeasuringpointsonmainpylonCROSS-section2．2动载试验动载试验主要是脉动试验。脉动试验是在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构的微幅振动响应。脉动试验测试内容包括主桥的振型、临界阻尼比和固有模态频率。全桥模态测点分为主梁和桥塔布置，其中主梁的固有模态频率包括横桥向振动、竖弯1、2、3、4阶振动的固有模态振型参数；主塔的固有模态频率包括顺桥向和横桥向的振形参数以及频率阻尼比等参数。3理论计算本桥采用MIDAS2010程序进行结构静力计算、活载效应计算和相应的加载效率计算。MIDAS结构计算简图如图4所示。图4斜拉桥计算模型Kg．4Calculationmodelofcable—stayedbridge通过静载试验，测定桥梁结构的静应变和静挠度，以便确定桥梁的真实受力状态和使用性能，以此检验结构的实际工作性能和安全度，并对桥梁的实际承载力和实际刚度作出可靠评价。3．1静载试验结果与分析通过对各加载工况下各测点的应变计算值和实测值进行对比分析，得到各工况下控制截面校验系数的最大值、最小值和平均值，如表1所示。表1各加载工况校验系数统计表Tab．1Statisticsofcalibrationcoefficientsunderdifferentloadingconditiom由表1应变测试结果分析可知，桥梁结构工况1～工况6控制截面各测点的应变校验系数除极个别稍大外，绝大部分均小于相应的理论计算值；桥梁大部分测点应变校验系数和各工况应变校验系数均值满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》(YC4—4／1978)校验系数规定的范围(小于1．05)。这表明桥跨结构的实际承载力能满足公路I级荷载使用要求，且有一定的安全储备；试验结构实测残余应变绝大部分均不大于20％，表明桥梁结构在试验荷载作用下处于弹性工作状态；主桥箱梁顶、底板横向各个应变测点应变较为均匀；应变沿梁高基本为线性变化；结构偏载校验比较明显，未超过设计取用值拍]。对理论计算值与实测值进行对比分析，得到各工况下的控制截面挠度和校验系数，如表2所示。表2控制截面挠度及校验系数表Tab．2Deflectiomofcontrolsectionandcalibrationcoefficients索塔偏位的实测值与理论值的比较如表3所示。固 公路交通科技第3l卷表3索塔偏位及校验系数表Tab．3Deviationsofpylonandcalibrationcoefficients，。车辆数／理论计算实测索塔校验1“辆偏位／mm偏位／mill系数1103．9261．532103．9241．0231617．8181．0141617．8120．6751415．7161．0261415．7150．96各加载工况下索力测试值和校验系数如表4所示。表4索力测试值和校验系数表Tab．4Cableforcetestandcalibrationcoefficientstable由表2一表4挠度、索塔和索力测试结果的分析可知，桥跨结构各断面挠度测点、索塔偏位和索力在各工况下的实测值和理论计算值吻合较好；各测点挠度校验系数、索塔偏位和索力测试校验系数均值满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》(YC4—4／1978)关于校验系数的规定；桥梁结构的实际刚度能满足公路I级荷载使用要求，且有一定的安全储备；试验结构实测残余挠度均不大于20％，表明结构在试验荷载作用下尚处于弹性工作状态[6。8]。3．2动载试验结果与分析3．2．1主桥实测结果与分析根据主桥自振特性测试频谱图、实测竖向1、2、3、4阶振型4视图，用DHMA2．51分析的自振频率、阻尼比和振型特征说明如表5所示。3．2．2主桥计算结果与分析主桥的自振特性计算采用专用有限元程序Midas／Civil进行建模。模型采用梁单元组成的组合单元理论模型计算复杂桥梁结构，全桥模型能准确模拟构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、初始内力和初始变形等，确立结构仿真分析的初始形态。因此可得到相对详尽、精确和可靠的分析结果‘9。111。采用DHMA2．51模态测试软件分析实测振型。得到竖向1阶振型主梁峰值出现在中跨／_,／2截面。实测结构阻尼通过DHMA2．51模态软件分析得到，其结果如表5所示。从实测阻尼比可见其阻尼系数较小，说明桥梁结构振动衰减正常[10|。表5主桥实测自振频率与振型特征Tab．5Measurednaturalfrequenciesandmodecharacteristicsofmainbridge表6计算自振频率、周期和主要振型Tab．6Calculatednaturalfrequencies。cyclesandmainvibrationmodes3．2．3实测结果与理论计算对比分析在动载条件下的实测频率结果与理论计算频率比较如表7所示。可以看出，前2阶振动理论值略大于实测值，说明桥梁结构在外界荷载作用下容易产生共振，第3阶和第4阶振动实测值大于理论值，说明实际结构刚度大于理论计算刚度，结构刚度满足设计要求¨0|。表7计算、实测自振频率和主要振型对比Tab．7Comparisonofcalculatedandmeasurednaturalfrequenciesandmainvibrationmodes桥梁结构实测1阶基频为0．78Hz，通过理论计算的1阶基频为0．827Hz，实测值和理论值相当，说明结构刚度与理论刚度基本相同；实测引桥上部结构振动阻尼系数均较小，结构为小阻尼振动，阻尼比正常‘11|。 第3期赵敏，等：斜拉桥承载力的评定方法由桥跨结构模态测试结果分析可见，主桥第3阶、第4阶实测频率略大于理论计算频率。由测量数据建立的模型分析可知桥梁振动正常，由实测结构阻尼可见其阻尼系数较小，说明桥梁结构振动衰减正常，无明显结构损伤缺陷‘121。4结论经过试验和分析，综合评定可知：该预应力混凝土斜拉桥的承载能力和工作性能达到设计规范要求，能满足设计荷载等级公路I级承载力和刚度的要求。通过静载和动载条件下斜拉桥承载力的实测和模拟计算进行对比分析得到了可靠的承载力评定方法。本文提出的斜拉桥承载力评估方法可以用于相关大型斜拉桥的承载力的评估和预测。参考文献：References：[2][3][4]宗周红，阮毅，任伟新．基于动力的预应力混凝土独塔斜拉桥承载力评估[J]．铁道学报，2004，26(6)：86—94．ZONGZhou—hong，RUANYi，RENWei-xin．Dynamic-basedEvaluationofLoad-carryingCapacityforaPrestressedConcreteCable·stayedBridgewithSingleTower[J]．JournaloftheChinaRailwaySociety，2004，26(6)：86—94．王有志，张宏同，徐鸿儒，等．在用钢筋混凝土梁式桥的安全性评估[J]．长安大学学报：自然科学版，2002，22(5)：39—41．WANGYou-zhi，ZHANGHong-tong，XUHong—ru，eta1．Safety—basedEvaluationofExistingReinforcedConcreteGirderBridges[J]．JournalofChang"anUniversity：NaturalScienceEdition，2002，22(5)：39—41．陆新征，张炎圣，黄盛楠，等．基于非线性有限元和快速建模的桥梁承载力预测[J]．兰州交通大学学报，2009，28(4)：12—16．LUXin·zheng，ZHANGYan-sheng，HUANGSheng-nan，eta1．PredictionofBridgeBearingCapacityBasedonHigh-precisionNonlinearFiniteElementAnalysisandFastModelingTechnology[J]．Journalof㈨ouJiaotongUniversity，2009，28(4)：12一16．蔡明．公路旧桥承载力评估方法[J]．桥梁建设，2005(4)：69一‘78．CAIMing．MethodsforEvaluationofLoad-carryingCapacityofExistingHighwayBridges[J]．BridgeConstruction，2005(4)：69—78．[5]J，rG／TJ21_201l，公路桥梁承载能力检测评定规程[s]．JTG／TJ21—-2011．SpecificationforInspectionandEvaluationofLoad-bearingCapacityofHighwayBridge[s]．[6]JTJ1780／1--2004，公路工程质量检验评定标准[s]．JTJF80／1--2004，QualityInspectionandEvaluationStandardsforHighwayEngineering[s]．[7]叶梅新，韩衍群，张敏．基于ANSYS平台的斜拉桥调索方法研究[J]．铁道学报，2006，28(4)：128—131．YEMei-xin，HANYan-qun，ZHANGMin．ResearchonAdjustingCableForcesofCable-stayedBridgesBasedonANsYS[J]．JournaloftheChinaRailwaySociety，2006，28(4)：128—131．[8]胡大琳．桥涵工程试验检测技术[M]．北京：人民交通出版社，2000．HUDa—lin．TestTechnologyofBridgeandCulvertEngineering[M]．Bering：ChinaCommunicationsPress，2000．[9]杨鸥，李惠，欧进萍．钢筋混凝土斜拉桥寿命期内整体极限承载力分析[J]．土木工程学报，2012，45(3)：116—126．YANGOu，LIHui，OUJin—ping．Life—cycleEvolutionoftheUltimateLoadCarryingCapacityofRCCable·stayedBridges[J]．ChinacivilEngineeringJournal，2012，45(3)：116—126．[10]叶见曙．结构设计原理[M]．北京：人民交通出版社，1996．YEJian·shu．StructuralDesignPrinciple[M]．Bering：ChinaCommunicationsPress，1996．[11]田杰，许克宾．高速铁路简支梁桥等跨布置的理论研究[J]．铁道工程学报，2001(3)：51—55．TIANJie，XUKe—bin．ResearchonSimplySuppoaedBeamswithEqualSpanonHighSpeedRailways[J]．JournaloftheRailwayEngineeringSociety，2001(3)：51—55．[12]YCA一4／1978，大跨径混凝土桥梁的试验方法[s]．YG4—4／1978，TestMethodofLong-spanConcreteBridge[S]．'