剛架拱橋的研究與加固

1、浙江大學碩士學位論文剛架拱橋的受力分析與加固 姓名:張正權申請學位級別:碩士 專業(yè):橋梁與隧道工程 指導教師:項貽強 20061101摘要鋼筋砼剛架拱橋是在桁架拱橋、斜腿剛架橋等基礎上發(fā)展起來的另一種新橋型, 屬于有推力的高次超靜定結構。由于它具有構件少、質量輕、整體性好、剛度大、施工 簡便、造價低、造型美觀等優(yōu)點,被廣泛應用于跨徑25m.70m的橋梁。本文針對該類型結構的特點,對橋梁結構試驗的分類、程序、要點進行了系統(tǒng)的 論述,在此基礎上,以一座實際的剛架拱橋為工程背景,采用彈性支撐連續(xù)梁法荷載橫 向分布理論計算剛架拱橋的荷載橫向分布,從而將空間問題轉化為平面問題,進而用平 面桿系有限元理論

2、分析求解剛架拱橋各截面的內力、撓度,另采用動力有限元技術對該 橋的動力特性和振動模態(tài)進行了詳細的分析,同時對該橋進行了靜動載試驗研究,并將 有關的試驗結果與理論計算進行了比較,結果表明:彈性支撐連續(xù)粱法荷載橫向分布計 算值與試驗測試值基本吻合,理論分析的自振頻率和動載試驗結果也吻合較好。在荷載 試驗的基礎上,對該橋的實際承載能力、存在的病害和造成病害的原因進行了分析探討 和研究,在技術經(jīng)濟比較的基礎上給出了該橋的加固方案。關鍵詞:剛架拱橋 理論分析 靜載試驗動載試驗 加固AbstractReinforced concrete rigid frame arch bridges are devel

3、oped from truss arch bridge and rigid franle bridges with inclined legs,and it is a high degree statically indeterminate thrust structure.It is widely used by bridges with a span of 25-70m as it has so many advantages such as less members,less weight,hi曲integration property,hi曲sti廊ess,conveIlient co

4、nstruction process.10W price and beautiful form。etc.The classification,procedures and key points of load test are diseussed reasonably in thispaper considering the characteristics of this type of bridge,Then a real rigid frame arched bridge is applied as the engineering background.and the elasticsup

5、posed continuous beam method is applied to calclllate its load transverse distribution.so the spatial problem is converted to a plane one,then the internal force and deformation of each section are calculated with a plane finite bar element program,in addition,the dynamic behavior and mode shape oft

6、he bridge is analyzed detailedly with dynamic FE technique.And in the mean time.the static and dynamic load test is put in practice.and the field test data is compared with the results of theoretic calculation.the results shows:the Ioad transverse distribution calculated with the elastic.supposed co

7、ntinuous beam method is quite accordant witl tle test results,and the frequencies calculated and tested are nearly the same.Based on the loading test.the actual bearing capacity,the existent deterioration and its cause of the bridge are analyzed and discussed,and several projects were compared both

8、technically econornically, then a detailed strengthening project is put forward.Key words:Rigid flame arch bridge;Theoretical analysis;Static loading test;Dynamic loading test;Strengthen浙江大學碩十學位論文(2006 第一章緒論 第一章緒論§1.1拱橋結構的受力特點拱橋是我國公路上使用很廣泛的一種橋梁體系。拱橋與梁橋的區(qū)別,不僅在于外 形不同,更重要的是兩者受力性能有原則差別。由力學知識可以知道,梁式

9、結構在豎向 荷載作用下,支承處僅僅產生豎向支承反力。而拱式結構在豎向荷載作用下,支承處不 僅產生豎向反力,而且還產生水平推力。由于這個水平推力的存在,拱的彎矩將比相同 跨徑梁的彎矩小很多,而使整個拱主要承受壓力。這樣,便可以充分利用抗壓性能良好 而抗拉性能較差的圬工材料(石料、混凝土、磚等來修建拱橋。拱式橋梁是有水平推力的橋型結構,其主要承載結構是主拱圈(或主拱肋、拱片 等,在恒載作用下一般僅承受軸向力,在外荷載作用下還將承受彎矩和剪力。由于拱橋系超靜定結構,受力復雜,當在外荷載作用及溫度、墩臺位移和其他構 造等原因影響下出現(xiàn)開裂時,輕者出現(xiàn)截面應力重分布,重者可隨裂縫開展形成結構體 系轉換,

10、結構內力重分布。如無鉸拱開裂后,有可能形成一鉸拱一二鉸拱一三鉸拱,直 至四鉸拱破壞。加之,拱上建筑的聯(lián)合作用,連拱作用的影響等,難以像梁式橋那樣, 簡單地以計算和實況直觀類比法評定其承載能力,成為當前國內外橋梁界研究的主要攻 關課題。§1.2剛架拱橋的分析計算方法及研究現(xiàn)狀1.2.1、剛架拱橋的基本特性P囝 冗b圖卜1剛架拱橋的基本圖式cb浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論 圖1.2剛架拱總體布置1、剛架拱橋的基本組成剛架拱橋的基本組成是由拱腿與實腹段合攏后組成裸拱,在裸拱的基礎上架弦桿 及斜撐形成剛架拱片,在剛架拱片之間設置橫系梁,安裝預制的肋腋板(或微彎板和 懸臂板,現(xiàn)澆

11、混凝土填平層和橋面鋪裝組合而成,其構造如圖:¨1圖1.3剛架拱橋構造圖l-拱腿;2-實腹段:3-弦桿段:4.斜撐:5-橫系粱;6.肋腋扳或微彎板:7.懸臂板:8-t翼.澆混凝土填平層和橋面鋪裝:9.人行道;l 0_欄豐f;A拱糖盤艇:B一犬節(jié)點;D-小¨出:E-弦桿盤序:F.斜撐支脒.弦桿、拱腿和實腹段三部分的交接處為大節(jié)點,弦桿和斜撐的交接處為小節(jié)點。 拱腿斜撐一般分別固結或鉸結于墩臺內,稱為拱腿支座和斜撐支座,弦桿一般支承于墩 臺的立墻上、稱為弦桿支座。也有不設弦桿支座,將豎桿與弦桿固結相連。2、剛架拱片各部分的構造特點浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論剛架拱片

12、是剛架拱橋的主要組成部分,施工階段承受上部構造自重,營運階段與 橋面系聯(lián)成整體,共同承受恒載、活載和附加荷載,并把其作用力傳遞到墩臺上。 (1實腹段實腹段上緣為直線,下緣為曲線,長度一般為0.4.0.5Lo。截面形式一般為凸形, 對于大跨徑剛架拱,可采用工字形、箱型等截面形式。配置的下緣縱向受拉鋼筋及上緣 受壓鋼筋,應用箍筋固定。(2拱腿拱腿一般采用直桿,但從美觀考慮,也可采用與實腹段下緣同一曲線的曲桿或微 益桿,但曲率不能太大。計算表明:如果拱腿曲率增大,相應的拱腿負彎矩也會增大, 對拱頂、拱腿均不利。較大跨徑時,為避免直桿拱腿因自重下擾而造成全橋底弧線的不 平滑。可考慮將拱腿中部向上微曲。

13、(3弦桿弦桿是等截面直線直桿,和實腹段一樣,截面形式可為凸形、工字形、箱型等, 受力狀況接近梁,內弦桿為壓彎桿件,外弦桿以彎為主,有較小的拉力。配筋構造要求 同鋼筋混凝土組合梁,除按受力要求配筋外,尚應加強小節(jié)點處上、下緣和桿件側面的 構造鋼筋,以及大節(jié)點處弦稈上、下緣和拱腿相交處圓弧部分的構造鋼筋。剛架拱片容 易產生裂縫的位置如圖:圖1-4剮架拱容易產生裂縫位置示意圖(4斜撐斜撐是等截面直線桿件。其截面形式為矩形、工字形、箱型等。斜撐的作用是支 承弦桿,縮小弦桿段的跨度并對內弦桿提供軸力,其配筋要求同拱腿。(5大、小節(jié)點大、小節(jié)點處的桿件相鄰邊緣應用弧線過渡,同一桿件兩邊過渡線的起點應接近

14、.3.浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論同一截面。沿過渡線邊緣應設包絡鋼筋,包絡鋼筋錨固于弦桿中應有足夠錨固長度。各 桿件主筋應順桿件方向伸過節(jié)點中一11,截面,且應滿足錨固長度要求。拉彎桿件的伸入主 筋應帶彎鉤。在大、小節(jié)點附近箍筋應適當加密,以承受局部應力。3、橋面系、橫向聯(lián)結系的構造(1橋面系構造橋面系由預制肋腋板或微彎板、懸臂板和現(xiàn)澆混凝土填平層及橋面鋪裝等組成。 (2橫向聯(lián)結系構造為把各剛架拱片橫向聯(lián)成整體,使之共同受力,并保證其縱、橫向穩(wěn)定,需要在 剛架拱片之間設置橫向聯(lián)結系。橫向聯(lián)結系一般為橫系梁,設在跨中、大、小節(jié)點、弦 桿端部等處。斜撐上一般不設橫向聯(lián)結系。大節(jié)點處因

15、實腹段截面高且壓力大,橫系梁 辦需增高。橫系梁截面形式可為矩形和空心截面。橫系梁在實腹段和弦桿段應豎直安放, 有利于活載的橫向傳遞;拱腿段應臥式安放,有利于加強橫系梁剛度。4、支座剛架拱橋上部構造的支座,按所在部位和支承的構件分為弦桿支座、斜撐支座和 拱腿支座。(1弦桿支座弦稈支座設于墩臺立墻上.支承外弦桿(計算時假定為垂直鏈桿支座,在荷載、 溫度、位移等作用下,容許弦桿水平方向移動。為滿足變形要求,在弦桿端部和墩臺相 連接處設置伸縮縫,并在弦桿支座處設支座。對于30m以內跨徑的,可采用一層油毛氈 (不用多層做支座,35m及以上跨徑的支座應采用橡膠板或鋼板支座。(2拱腿支座和斜撐支座拱腿支座在

16、般情況下,應采用“先鉸后固”的方法,即施工階段拱腿支座為鉸 接,運營階段為固結。因為在荷載作用下(旌工階段將拱腿支座固結,則將使恒載負 彎矩約占拱腿截面總的負彎矩的50一60%,造成截面負彎矩過大,如果采用鉸接則可部 分減少這部分負彎矩。同時,有利于減少施工階段墩臺的位移和溫度變化對拱片產生的 影響。斜撐支座鉸接與固結對拱片內力影響不大,可按鉸接或固結理論。1.2-2、剛架拱橋的特點(1多次超靜定結構體系結構為多次超靜定,主結構由拱肋構成主拱。拱上建筑取斜腿鋼構的形式,可以 .4.浙江大學頑士學位論文(2006 第一章緒論說是拱與斜腿鋼構的復合結構,故名為剛架拱。在順橋方向,將常規(guī)拱橋的主拱圈

17、與拱 上建筑部分組成整體受力結構,拱上建筑不是單純的傳遞荷載,而是參與承受荷載;在 橫橋方向,通過肋腋板或微彎板將拱肋與現(xiàn)澆橋面組成整體的受力結構。結構桿件大部 分為偏心受壓構件,無純拉構件,從而充分利用了混凝土抗壓能力強的特點。(2結構輕型,且具有足夠的承載力自重約為雙曲拱橋總荷載的60%,使恒載推力減少,并對下部構造和地基承載力 的要求相對降低些,便于基礎的型式選擇和軟土地基建橋。(3適用性強剛架拱雖為拱式體系,但恒載推力較常規(guī)拱橋小,為控制橋梁建筑高度,可將矢 跨比選擇的小一些,一般采用1/7.1110之間。也容許橋臺發(fā)生適量的位移(位移量控制 不大于L43000。施工方法的適用性也較強

18、,可采用預制吊裝、有支架現(xiàn)澆、懸臂拼裝、 轉體施工等。(4橋型美觀結構線條簡單,造型美觀、構件吊裝重量小,施工方便,預制裝配化程度高(如 按體積比,預制裝配率達80%以上,安裝速度較快,工期較短。(5省材料材料用量指標較低,經(jīng)濟效益明顯1.2.3、剛架拱橋的分析計算方法叫剛架拱橋除兩邊腹孔梁為受彎構件外,其余桿件及實腹段均有軸向力,屬于彎壓 構件。剛架拱為高次超靜定結構,其內力與變形一般采用平面桿系有限元法計算,也可 采用位移法手算或其他方法計算。1、基本假定及計算圖式(1恒載作用時,假定主拱腳和斜撐腳均為鉸結(施工中不封固;活載作用時, 主拱腳已封固,假定主拱腳為固結,斜撐腳為鉸結,弦桿支座

19、無論恒載、活載作用均作 為允許,水平位移的豎向鏈桿。(2恒載全部由裸拱(指除橋面以外的剛架拱片和橫系梁組成的結構承擔,考 慮到施工過程中結構體系的變化,應按下圖的次序分階段計算荷載內力,然后進行疊加。5羅一啞(1裸拱自重力產生的內力(2弦桿和斜撐重力在裸拱上 產生的內力(3橋面系重力在裸拱片產生的 內力(4活載和附加力在組合結構(不 包括磨耗層上產生的內力 圖l一5剛架拱分階段結構計算圖式(3活載和附加力由裸拱與橋面組成的整體結構承擔(不計橋面磨損層,見圖(4計算中可通過考慮荷載橫向分布,將空間剛架拱結構簡化為平面結構,即取 一片剛架拱片作為計算對象,其荷載橫向分布系數(shù)可按彈性支承連續(xù)梁簡化法

20、或其它方 法計算。(5計算中,按單元全截面特征進行計算,在配筋計算時,考慮剪力滯后效應, 采用有效寬度進行配筋計算,即彎矩由有效寬度承擔,軸力由單元全截面承擔。2、結構計算(1內力計算與驗算有限元法如上所述,剛架拱可取一片拱片作為平面桿系結構來計算。以結構力學中介紹的 桿系有限元為基礎,采用位移法就可編制出計算程序。關于結構離散(即單元劃分,需根據(jù)實際問題的需要及精度要求進行。其節(jié)點一 6浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論般應包括構件的轉折點、交接點、截面變化點和所有支承點。對等截面直桿,其中間節(jié) 點多少可根據(jù)驗算截面以及求算影響線時單位力作用點的需要確定。而對曲線形拱腿及 變截面實腹

21、段,在處理成折線形并以分段等截面直桿代替時,其節(jié)點多少應考慮精度要 求。對實腹段、弦桿、拱腿相接處的大節(jié)點,剛度較大,且三軸線不交于一點,計算 時可近似按剛性塊處理,若電算程序設置剛臂單元,可按下圖處理,若程序中沒有設置 剛臂單元,則可按平均剮度來處理。即單元截面慣矩L。:畢,七。:lC:D+_IeF。 弦桿及實腹段截面參數(shù)確定可參考桁架拱進行。圖1-6剛架拱橋單元劃分臂 5m.2m h刊圖卜7大節(jié)點計算處理手算法在無電算條件時,也可采用手算,以圖1-6為例,對恒載,在裸拱自重力作用下浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論其計算圖式為一次超靜定的兩鉸拱,但其拱軸線并非光滑,計算恒載內力時,

22、同樣取主 拱腳水平推力為贅余力。求出贅余力之后就不難利用靜力平衡條件求解各截面的內力。3、荷載的橫向分布系數(shù)計算”3剛架拱拱片的橫向分布系數(shù),采用彈性支承連續(xù)梁簡化計算方法。當荷載P=1作用于某一拱片上時,其分布的拱片數(shù)每側為兩片,到第三片接近于 零或為極小的負值,近似直線分配。所以對P=1作用于一個多拱片拱的某一拱片上時, 其分布只影響到5個拱片,并可做如下的近似處理:反力影響線各坐標的比例按三角形 的相似關系為1:2:3:2:l,各反力之和Ri=P=I,由于l+2+3+2+1=9,故6號拱 片反力影響線所影響到的坐標分別為1/9=0,11,2/9:0.22,3/9-0.33。靠邊的拱片,如

23、1、2、3及7、8、9號拱片的一邊沒有三個拱片可以分配,就把 缺拱片那邊無可分配的數(shù)值都加在最外邊的拱片上。這個方法由于多處簡化,計算比較 方便,但最后求得各拱片的荷載橫向分布值之和碾,可能不完全等于荷載P,這時,iD需要再乘以修正系數(shù)a(a=三一,使得ax r/i=P。設計時一般取a21.0101Zr/。拱片在使用階段主要由強度控制設計,以受彎的橫向分布系數(shù)為準。為此,按以 上簡化法計算得至的橫向分布系數(shù)還需再乘以1.1的增大系數(shù)。p=-/7_p_-,一 06號肋 0lj 、,一一 0.110.22、 面f 022、 一一一u J01l 、 一 0110.22、,一一 022D.33口

24、68;、 一一七if一 Oll、022、一一, 033t,r詩、一,-6.L22一前f一022。 一8近似反力影響線 號肋浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論 §1.3剛架拱橋存在的問題剛架拱橋是在桁架拱、斜腿剛架等基礎上發(fā)展起來的另一種新橋型,屬于有推力 的高次超靜定結構。由于它具有構件少、自重輕、經(jīng)濟指標較先進、造型美觀等優(yōu)點, 因此已在我國得到了廣發(fā)應用。然而,隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,公路交通量不斷增加, 由于推行拖掛運輸和集裝箱運輸,故普遍存在橋梁承載力不足的情況,加之橋梁的不斷 老化、破損,矛盾比較突出。通過對已建剛架拱橋病害的分析研究。以往設計施工的剛 架拱橋計算理

25、論還不成熟,在結構的計算上還存在不足,還沒有比較完善的計算理論體 系,在施工技術上存在缺乏經(jīng)驗以及施工設備的落后,從而造成施工技術上的弊病,另 外,從剛架拱橋自身結構來看在結構上也存在不少病害。抽711.3.1、剛架拱橋的結構特點剛架拱橋一個顯著的特點就是結構離散、輕巧。剛架拱橋是在雙曲拱橋等橋梁上 發(fā)展起來的種新型橋型,所以剛架拱橋在結構上繼承了一些雙曲拱橋的特點,即結構 整體性相對較差。在長期的運行中,橋梁結構時常處于震動的狀態(tài),隨著震動過程的累 計增多難免出現(xiàn)對橋梁某些結構的破壞。另外,剛架拱橋結構具有梁拱的特點,拱片端 部簡支在橋臺上,其主拱腿拱腳斜撐在橋臺拱座上形成超靜定結構,從而在

26、一些荷載的 作用下,拱肋內部也時常會出現(xiàn)一些對結構不利的附加內力,對橋梁造成破壞。1.3.2、剛架拱橋的設計理論已建的剛架拱的設計理論基本上都是在橋梁理論還不成熟的時期形成的,從而使 該類橋梁在設計時,在理論基礎上就存在嚴重的不足,如其中比較明顯的是:以往大都 借助于橫向分布系數(shù),理想化為平面模型進行設計計算的,從而造成理論計算與該橋型 結構實際的受力存在嚴重差距,導致結構長期在超荷載下運營最終出現(xiàn)了病變,造成橋 梁結構破壞。1.3.3、剛架拱橋的施工技術。剛架拱橋的施工方法可以采用預制拼裝施工和整體現(xiàn)澆施工,或聯(lián)合操作進行施 工等,對于當時的施工條件與施工技術,不管采用哪一種,都存在不同程度

27、上的困難。 若采用預制拼裝施工,則由于吊裝設備落后,對于稍大跨徑的橋梁,由于拱肋的自身重 量太重很難進行吊裝;若采用現(xiàn)場澆筑施工,則涉及到許多施工的控制技術,如拱肋橫 向穩(wěn)定性問題、溫度效應問題,同時需要較多的旆工模板,經(jīng)濟上存在一定的困難。另 外, 該兩種技術在當時均存在不同程度的不足,9浙江大學碩士學位論文(2006 第一章緒論 從而在施工過程中不免也存在不少的病害。§1.4本課題的研究內容鋼筋混凝土剛架拱自1979年應用以來,由于比同跨徑的其他拱橋,特別是雙曲拱 橋有諸多的優(yōu)點,在全國廣泛修建,特別是1983年鋼筋混凝土剛架拱橋定型設計圖 問世后,該種橋梁的修建更為流行,多數(shù)是

28、按剛架拱橋定型設計圖的尺寸,有的稍作調 整,局部修改或補充計算仿照設計,跨徑從25m直到lOOm,這種橋型是中國橋梁的又 一杰作,時至今日仍為輕型拱橋的主要橋型之一而被廣泛應用。本文主要結合一座實際 的剛架拱橋進行荷載試驗研究,分析剛架拱橋的實際承載能力、存在的主要病害及發(fā)生 的原因,在此基礎上,進行了具體的加固方案研究。10浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法 第二章橋梁荷載試驗的方法§2.1概述在橋梁工程的發(fā)展中,橋梁試驗研究和技術對于推動和發(fā)展橋梁計算理論、解決橋 梁實際中出現(xiàn)的疑難問題起了重要作用。許多試驗研究工作,成為促使橋梁結構計算理 論與設計不斷發(fā)展

29、的重要因素之一。橋梁試驗研究是一項技術性很強的工作,按照試驗研究的目的和要求可分為:3科學研究性試驗和生產鑒定性試驗;靜荷載試驗和動荷載試驗;原型試驗和模型試驗:破壞性試驗和非破壞性試驗:長期試驗和短期試驗。下面分別簡要論述如下:2.1.1科學研究性試驗科學研究性試驗是一種探索性試驗,主要解決科研和生產中有探索性、開創(chuàng)性的 問題。其試驗特點:針對性很強,對試件設計、選擇測量儀器、確定測試方法都有特殊 要求?？茖W研究性試驗,是為了建立或驗證結構設計計算理論和經(jīng)驗公式,或驗證某一 結構理論體系中的科學假設判斷的可信程度。一般多采用模型結構,當然有必要時,也 可選用實際結構。在進行這種試驗時,一般把

30、影響結構的主要因素作為試驗參數(shù),利用 特定的加載裝置,以消除或減少外界因素的干擾影響,以突出所要研究的主要因素。通 過系統(tǒng)的模型試驗,對測試資料數(shù)據(jù)加以分析,從而揭示出具有普遍意義的規(guī)律。 科學研究性試驗一般要達到的目的主要有:驗證新的結構分析理論、設計計算方 法:為發(fā)展新的結構形式、新的施工工藝開創(chuàng)道路、積累經(jīng)驗;為制定和修改設計規(guī)范 提供依據(jù)。2.1.2生產鑒定性試驗生產鑒定性試驗具有直接服務于生產實踐的意義,一般以原型結構作為試驗對象, 在現(xiàn)場進行試驗。根據(jù)規(guī)范、標準的要求,按照有關設計文件,通過試驗來確定結構的 實際承載能力、使用性能和使用條件,檢驗設計施工質量,提出橋梁養(yǎng)護、加固、改

31、建、 限載對策,有效地保證橋梁結構的安全使用。浙扛大學碩士學位論文(21:106 第二章橋梁荷載試驗的方法生產鑒定性試驗也稱之為橋梁檢測,包括:靜載試驗、動載試驗、無損檢測與長 期監(jiān)控測試四個方面。根據(jù)對象不同,生產鑒定性試驗主要分以下幾種:(1對新建橋梁進行鑒定為了對新建橋梁的質量進行鑒定,通過一定的試驗手段,對橋梁的主要質量指標 (例如混凝土質量、鋼材的焊接質量、檢驗荷載作用下橋梁的最大撓度或擾曲線、控制 截面上的應力等進行測試,根據(jù)測得的這些基本數(shù)據(jù),對新建橋梁的質量進行評定。 這種試驗可以用來檢驗設計理論以及施工質量,為即將投入使用的橋梁的運行、養(yǎng)護提 供依據(jù)。(2對既有橋梁進行鑒定既

32、有橋梁在運行過程中,因受到地震、臺風、雨雪、冰凍等自然因素的影響以及 沖擊荷載等人為因素的作用和隨著時間的推移,橋梁結構都會受到不同程度的損害。為 了了解橋梁的實際損害程度以便決定采取何種養(yǎng)護或維修措施,就有必要對這些受損橋 梁進行鑒定測試。對于一些重要橋梁,為了確保其運行安全,除了日常的養(yǎng)護、檢查外, 每隔幾年就要進行一次大規(guī)模的測試鑒定工作。另外,隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展,許多道路都要提高運輸?shù)燃?線路上的橋梁也 要進行改建或重建。為了采取切合實際的舊橋改造方案以便獲得最佳的經(jīng)濟和社會效 益,常常有必要對既有橋梁的實際承載能力和耐久性等進行檢測與評定,從而決定采取 何種措施來滿足線路對橋梁的

33、諸如承載能力、橋寬、縱坡等各項指標的要求。2.1.3靜荷載試驗所謂橋梁靜載試驗,是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置,然后對橋梁結構 的靜力位移、靜力應變、裂縫等參量進行測試,從而對橋梁結構在荷載作用下的工作性 能及使用能力作出評價。靜載試驗是橋梁結構試驗中最大量、最常見的基本試驗。因為橋梁結構工作時所 受的荷載主要是靜力荷載,其自重當然屬于靜力荷載,就是荷載位置隨時間而變的移動 車輛荷載,在設計計算時一般也是作為靜載來考慮的。這樣做的原因,一方面是:因為 區(qū)分靜力問題與動力問題的主要標志,并不是與結構受力狀態(tài)有關的各物理量是否隨時 間變化,而是由結構的運動加速度引起的慣性力是否已經(jīng)大到不可忽

34、略的程度,通常由 移動車輛荷載引起的結構反應的動態(tài)增量部分只占全部反應的極小部分;另一方面,將 移動車輛荷載作為動力問題來考慮,分析起來過于復雜,因此,常用將靜力荷載乘以沖 擊系數(shù)的辦法來近似考慮移動車輛荷載的動力影響。浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法橋梁結構靜載試驗,一般可以通過重力或其他類型的加載設備來實現(xiàn),并能滿足 試驗要求。靜載試驗的加載過程,是從零開始逐步遞增,一直到預定的荷載為止。靜載 試驗是了解結構特性的重要手段,不僅用它來直接解決結構的靜力問題,就是在進行結 構動力試驗時,一般也要先進行靜載試驗,以測定結構的有關的特性參數(shù)。2.1.4動荷載試驗橋梁動載試

35、驗是利用某種激振方法激起橋梁結構的振動,然后測定其固有頻率、 阻尼比、振型、動力沖擊系數(shù)、行車響應等參量,從而判斷橋梁結構的整體剛度、行車 性能。橋粱結構的動載試驗,目前主要包括兩方面的內容:一是測量移動車輛荷載作用下橋梁指定斷面上的動應變或指定點的動撓度。二是測量橋梁結構的自振特性和動力響應。移動車輛荷載作用下的動應變或動撓度測定,一般用于實橋試驗,試驗時將單輛 或多輛載重車輛按不同的車速通過橋梁,有時為了模擬路面的不良情況,還在橋面上設 置人工障礙(比如有一定寬度和高度的木板,使行駛車輛產生跳動,以形成對橋梁的 沖擊作用,此時測出指定斷面上的動應變或動撓度,將動態(tài)情況下的峰值與相應的靜態(tài)

36、數(shù)值相比,可以求出車輛振動引起的動態(tài)增量。用測試的方法確定橋梁的動態(tài)增量,是 研究車輛對橋梁動力作用的一種手段,由試驗求得的數(shù)據(jù)可以作為確定橋梁沖擊系數(shù)的 依據(jù)。橋梁自振特性的測量對象,可以是實際橋梁,也可以是橋梁模型。測量模型的自 振特性時,般要對模型進行專門的激勵(輸入,然后測量模型的響應(輸出,在已 知激勵和響應(或只有響應的情況下可以求出模型(系統(tǒng)的自振特性。測量實橋的 自振特性時,也可以同模型試驗一樣,對實橋進行激振,測得輸入和結構的響應后可以 求出自振特性。有時,也可以不用對實際結構進行專門的激振,而是利用自然條件(如 風、水流、地脈動等作為實際橋梁的振源(只要能滿足一定的條件,測

37、出實際橋梁 在這些自然因素作用下的響應,求出實際橋梁的自振特性。正確確定橋梁結構的自振特性是進行橋梁動力響應的基礎。結構自振特性中除阻 尼比外,頻率與振型可以用計算的方法求得,但計算時所采用的計算圖式與實際結構往 往有區(qū)別,所以用試驗的方法確定橋梁結構的自振特性就很有必要。2.1.5原型試驗原型試驗的對象是實際結構或構件。橋梁結構原型試驗的對象一般就是實際橋梁, 13浙江大學碩士學位論義(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法所以原型試驗也稱實橋試驗。原型試驗一般直接為生產服務,但也有以結合科研為試驗目的。例如近年來交通 運輸系統(tǒng)對諸多既有橋梁的質量鑒定試驗、新建橋梁的鑒定試驗以及一些大型、新型橋

38、 梁結構的施工控制測試等基本都屬于生產性試驗,而對有的大跨度斜拉橋進行施工全過 程動力特性測試,則基本上是以科研為目的,是為斜拉橋的抗震、抗風研究積累實測資 料。原型試驗是以實際結構為測試對象,試驗結果真實地反映了實際結構的工作狀態(tài)。 對于評價實際結構的質量、檢驗設計理論都比較直接可靠,特別是質量鑒定性試驗,只 能在實際結構上進行。當然,原型試驗存在所需費用大、周期長、現(xiàn)場測試條件差等問 題。2.1.6模型試驗當進行橋梁結構的原型試驗由于投資大、周期長、測量精度受環(huán)境影響,在物質 或技術上存在某些困難時,往往采用模型試驗的辦法,來解決設計分析中的疑難問題。 特別是科學研究性試驗,則更需要借助模

39、型進行試驗。模型是仿照真實結構,按照一定 比例關系復制成的真實結構的試驗代表物,它具有實際結構的全部或部分特征,但模型 的尺寸比原型小很多。2.1.7破壞性試驗和非破壞性試驗一般情況下,鑒定性試驗多為非破壞性試驗。但在某些情況下為了達到預定的試 驗目的,往往需要進行破壞性試驗,以掌握試驗結構由彈性階段進入塑性階段甚至破壞 階段時的結構行為、破壞形態(tài)等試驗資料。考慮到原型試驗的破壞試驗,不論在費用上 還是在方法上都存在一些具體的問題,特別是在結構進入破壞階段后試驗是比較困難 的。因此,破壞試驗一般均以模型結構為對象,在實驗室進行,以便能夠較為方便可行 地進行加載、控制、量測、分析,從而總結出具有

40、普遍意義的規(guī)律。推廣應用于原型結 構。2.1.8長期試驗和短期試驗鑒定性試驗與一般性的研究試驗多采用短期試驗方法,只有那些必須進行長期觀 測的現(xiàn)象,如混凝土結構的收縮和徐變性能、橋梁基礎的沉降、結構材料的疲勞等,才 采用長期試驗方法。此外,對于大型橋梁結構或新型橋梁結構常常采用長期觀測或組織 定期的檢測,以積累這些結構長期使用性能的資料。浙扛大學碩士學位論文(2006 第二章橋粱荷載試驗的方法§2.2橋梁結構承載能力的評定方法8J t91橋梁承載能力的評定通過三種途徑10l:其是根據(jù)規(guī)范對照橋梁存在的缺陷及病 害進行評價;其二是理論分析驗算;其三是現(xiàn)場荷載試驗評定。特別是當通過橋梁檢

41、查 與計算分析難以確切判斷橋梁實際承載能力時,更有必要進行現(xiàn)場荷載試驗,以檢查部 分構件的受力情況,對承載力作出評價。2.2.1根據(jù)規(guī)范對照橋梁存在的缺陷及病害進行評定按照規(guī)范對照橋梁存在的缺陷及病害評定現(xiàn)有橋梁的承載能力,必須對橋梁的技 術狀況及其缺陷進行全面而細致的現(xiàn)場檢查,包括常規(guī)檢查和重點部位的檢查,同時還 應全面了解橋梁的設計、施工、使用以及養(yǎng)護等方面的情況。一般從一下幾個方面進行 綜合評定:2.2,1.1裂縫一般情況下,對于混凝土結構,根據(jù)不同的環(huán)境條件,其細裂縫可限制在0.2mm O.3mm以內。但對預應力混凝土構件,由于混凝土在承受荷載之前已預加應力,因此, 理論上除網(wǎng)狀裂縫外

42、,其他裂縫是不容許產生的。故我國在公路養(yǎng)護技術規(guī)范111中對橋梁技術狀況的評定標準及裂縫寬度限值作出了具體規(guī)定。2.2.1.2橋臺水平位移對拱橋,可以根據(jù)橋梁水平位移的大小進行評定,單孔圬工拱橋兩岸發(fā)生的水平 位移之和小于L/2000,則認為符合規(guī)范規(guī)定,反之則應進行修整、加固。2.21.3經(jīng)驗估算上部結構在運營中已行駛過相當于設計荷載或設計荷載以上的車輛,沒有發(fā)生缺 陷,或缺陷在上述允許范圍內,可以認為該橋梁具有設計承載能力。但只能是初步估計, 必要時應加以分析計算。2.2.2理論計算分析評定采用現(xiàn)場調查與理論分析計算相結合的方法評定橋梁承載能力大致有一下幾條途 徑:2.2.2.1定量評定+

43、計算分析通常在現(xiàn)場檢查、資料收集的基礎上,對建橋材料取樣進行強度試驗或無破損測 定,以確定原材料的實際抗壓、抗拉強度、混凝土標號或石料標號,然后運用設計方法 進行計算作評定。浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法2.2.2.2經(jīng)驗類比+計算分析通常是在一些具有代表性的橋梁進行試驗分析的基礎上總結出對某一類型橋梁的 經(jīng)驗公式,或根據(jù)對大量橋梁缺陷、病害及跨徑、材料、砂漿、環(huán)境對橋梁承載能力的 影響的調查,確定一定的折減系數(shù),綜合評定橋梁的承載能力。除此之外,目前還有其他一些評定橋梁承載能力的理論計算評定方法,均有待于 在實踐中驗證、修改和完善,這罩不再贅述。2.2.3現(xiàn)場荷載試

44、驗評定現(xiàn)場荷載試驗是目前進行科學研究、鑒定評價現(xiàn)有橋梁結構工作性能的一種較為 直觀的試驗研究方法,它與分析計算相結合,不僅可以發(fā)現(xiàn)和查找橋梁瘸害產生的原因, 而且可以驗證理論分析的正確性。因此,它常用于科研分析中。橋梁現(xiàn)場荷載試驗般 可以分為靜載試驗和動載試驗。§2.3橋梁荷載試驗的一般程序和方法n3一般情況下,進行橋梁荷載試驗的一般程序可分為三個階段,即試驗準備階段、 加載與觀測階段和分析總結階段。2.3.1荷載試驗準備階段試驗準備階段是橋梁荷載試驗順利進行的前提和保障,其工作包括:收集橋梁設計丈件.施.x-iL錄、監(jiān)理記錄、原試驗資料、橋梁養(yǎng)護與維修記錄等 橋梁技術資料;檢查橋梁

45、現(xiàn)狀,如橋面系、承重結構構件、支座、基礎等部位的表現(xiàn)狀況;檢算設計荷載和試驗擬加荷載作用下理論內力;制定加裁乖量測方案,選用儀器儀表;搭設工作腳手架、設置測量儀表支架、測點放樣及表面處理、布置測試元件、安 裝調試測試儀器儀表等。可以說,試驗檢測工作的順利與否,很大程度上取決于檢測前的準備工作。2.3.1.1成立試驗領導小組為了使試驗能順利進行,并能達到預期的目的,應成立試驗領導小組,統(tǒng)一部署、 組織和領導整個試驗工作。領導小組成員必須熟悉橋梁荷載試驗工作,并具有與試驗相 關的知識,特別是大型復雜的橋梁試驗經(jīng)驗,試驗工作環(huán)節(jié)繁多,情況多變,因此必須浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋粱荷載試

46、驗的方法精心安排,一絲不茍,做好應對措施。在進行試驗組織時,必須做好以下幾個方面的工 作。a、明確試驗目的在進行其他各項工作以前,必須首先了解清楚本次橋梁荷載試驗要達到的目的以 及各項具體要求。如果提出試驗要求的不是試驗組織者本人,則試驗組織者有必要與提 出試驗要求的人進行討論,詢問提出各項試驗要求的前提與背景,通過荷載試驗要解決 的問題,然后再將試驗目標確定下來,要能分清各項目的的主次,試驗時萬一不能兼顧 各項目標時可以放棄次要目標而保證完成主要任務。b、閱讀有關文獻在明確試驗目的以后,應該閱讀與試驗有關的文獻資料。如果有人做過類似的試 驗則通過閱讀他人試驗報告或情況介紹,弄清試驗目的有何不

47、同,哪些地方可以改進等 等。C、收集設計、計算資料如果橋梁荷載試驗對象具有實際工程背景,在組織試驗時要向有關部門收集與試 驗有關的設計資料,以便對試驗對象有透徹的了解。d、擬定試驗方法在以上幾步工作的基礎上,可以擬定試驗方法,擬定試驗方法主要是根據(jù)試驗目 的和客觀條件確定靜載試驗的加載方法和動力試驗的激振方法,選擇合適的測試儀器和 觀測方法,確定試驗程序。e、橋梁荷載試驗的理論分析和檢算在試驗前應模擬試驗狀態(tài)對結構進行必要的分析計算,以便對試驗結果有初步的 估計。f、測試儀器設備的準備和試驗人員的組織在確定了試驗方法以后,就可著手測試儀器設備的準備和試驗人員的組織。為了 保證試驗的順利進行,調

48、試儀器的規(guī)格、數(shù)量、測試精度等都要能滿足試驗的要求,對 于使用數(shù)量大、容易損壞的儀器還應有一定數(shù)量的備件。對于規(guī)模較大的試驗,通常需要較多的測試人員,單靠某一個單位的專業(yè)測試人 員往往是不夠的,還需要幾個單位的測試人員通力合作;此外,還可能需要非專業(yè)測試 人員的協(xié)助,試驗前應該做好所有參加試驗人員的組織與協(xié)調工作。2.3.1.2制定試驗方案浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法在完成試驗組織的基礎上,還應訂出詳細的試驗方案以便照此執(zhí)行。橋梁荷載試 驗是一項復雜而細致的工作,應在橋梁檢查和檢算的基礎上確定試驗項目。仔細考慮試 驗的全過程,預計可能出現(xiàn)的問題及其處理方法,才能保證

49、所定試驗方案切實可行和試 驗工作的順利進行。試驗方案一般應包括如下內容:試驗目的以及測試要求:測試內容:試驗程序;試驗人員的組織和分工;加載方法:測量方法:試驗進度:安全措施。2.3.1.3靜載試驗的準備工作(1試驗孔(墩、臺的選擇橋梁試驗孑L(墩、臺確定,應選定結構受力最不利、結構技術狀況較差或病害 多而嚴重、便于搭設腳手架和設置測點以及加荷方便的橋孔。一般可結合橋梁檢查和檢 算工作進行。對于多孔結構,還需要考慮病害或問題的種類和結構的不同。(2檢查架和儀表架的搭設檢查架必須方便觀測儀表和裂縫,應以經(jīng)濟、方便、安全為原則,檢查架與儀表 架應完全脫離,不影響儀表和測點的正常工作,不干擾測點附屬

50、設施。當橋下凈空高不 便設置固定檢查架時,可采用輕便活動吊架。儀表架要穩(wěn)固并能承受試驗時可能產生的 碰動干擾。用于觀測墩臺沉降和位移的儀表架,應離開墩臺基礎邊緣至少1.5m,以不受 墩臺變位的影響。搭設儀表架時,還需留心觀測點不要受陽光直接照射和防雨措施等。 (3加載方案與實施a、加載試驗項目的確定靜荷載試驗項目按其目的來分,大體上有兩類:一類為測定荷載橫向分布特性的 單點加載試驗:另一類為鑒定橋梁承載能力的加載試驗。因此加載試驗項目安排應抓住 重點,不宣過多。幾種常見主要橋型的加載試驗項目:浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法加載試驗項目橋梁類型主要 次要跨中最大正彎矩及

51、撓度簡支粱 支點最大剪力和墩臺垂直位移 L/4截面正彎矩及撓度支點最大負彎矩 支點最大剪力連續(xù)梁跨中最大正彎矩 墩臺最大垂直力及位移支點最大負彎矩 支點最大剪力懸臂梁 懸臂段最大撓度 墩臺最大垂直力及位移錨跨跨中最大正彎矩 掛梁跨中最大正彎矩拱項最大正彎矩 拱腳最大水平推力及變位無鉸拱拱腳最大負彎矩 L/4截面最大正彎矩和最大負彎矩 跨中截面最大正彎矩及撓度剛架拱 柱腳截面晟大負彎矩、最大水平推力 結點截面的最大負彎矩主粱最大撓度主梁縱向最大漂移斜拉橋與懸索 主梁控制截面最大內力主塔控制截面最大內力橋 索塔塔頂水平變位吊索最大索力主纜最大拉力、斜拉索最大拉力b、靜載試驗荷載的確定與布置承載能力

52、評定荷載一般有以下幾種:即標準荷載、掛車或履帶車、人群荷載和需 通行的特種重載。產生控制截面最不利內力的評定荷載常常作為靜力試驗荷載。但由于 客觀條件的限制,實際采用的試驗荷載往往會與評定荷載有所不同。為保證試驗效果常 采用等效荷載試驗的方法,在選擇等效試驗荷載時,要使等效試驗荷載作用下的控制截 面內力計算值與評定荷載作用下同截面的內力之比(即試驗荷載效率在0.95-I.05之 間。等效試驗荷載通常有可行式車輛和重物直接加載兩種。當采用重物直接加載時,需 注意避免加載設備與橋梁共同承載而形成“卸載”現(xiàn)象。試驗荷載布置應使結構處于某 種實際可能的最不利工作狀態(tài)。o靜載試驗效率 印=去|D式中:S

53、,一一試驗荷載作用下,檢測部位的變形或力的計算值。19浙扛大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法s一一設計標準荷載(或超載作用下,檢測部位的變形或力的值。萬一一設計用的沖擊系數(shù)c、試驗荷載分級與加載方式為了了解結構應變或變位隨加載增加的變化關系和防止結構意外損壞,試驗荷載 需逐級增加。用車輛加載一般分成2-3級,用重物加載為3-4級即基本荷載的60%、80 %、90%和100%。車輛荷載的分級可采用逐漸增加車數(shù)量和加載車位于控制截面內力 縱橫向影響線不同位置的方法。靜力試驗荷載的加載方式,根據(jù)加載設備情況可分成兩 種,即:一是單逐級遞加到最大荷載,然后逐漸卸載至零載,這種方法適合

54、于重物直接 加載。二是逐級遞增的循環(huán)加載方法,此法宜用于車輛加載。d、加載時間選擇與靜力荷載的持續(xù)時問加載試驗應安排在氣溫變化不大,外界氣候條件較好的時間(如晚上lO時至凌晨 5時內進行。靜力荷載的持續(xù)時間取決于結構最大變位達到相對穩(wěn)定所需的時間。對 鋼筋混凝土和木結構一般取15-30分鐘,鋼結構通常不少于lO分鐘。e、加載程序的確定正式加載試驗前,一般需對試驗結構進行必要次數(shù)的預加載。通過預加載,一方 面可以使結構進入正常工作狀態(tài),另一方面也可檢查試驗裝置的可靠性以及檢查全部觀 測儀表工作是否正常,并能起到演習作用。預加載的荷載一般取卜2級分級荷載。 f、加載試驗的控制加載應嚴格按設計的加載

55、程序進行,荷載的大小和截面內力都應從小到大逐級增 加,并隨時做好停止加載或卸載的準備。加載試驗過程中,要及時分析控制測點的變位 或應變,隨時觀察結構薄弱部位開裂等狀況,一旦發(fā)現(xiàn)下列情況,應立即終止加載試驗。 控制測點應力或撓度(變位超過檢算控制值和規(guī)范規(guī)定值;加載過程中超過規(guī)范允許裂縫寬的裂縫大量增加,對結構使用壽命造成明顯影響 時;墩臺變位超過允許值且不能穩(wěn)定時;發(fā)生其它損壞,影響橋梁承載能力和正常使用時。(4制定觀測方案觀測方案應按照試驗目的和要求,確定觀測項目、測量區(qū)段、測點位置,并選擇 合適的儀表和確定試驗觀測方法。a、觀測項目的確定浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的

56、方法在荷載作用下的橋梁變形可以分成兩類:一類變形能反映結構的整體工作狀態(tài), 如撓度、轉角和支座位移等,為整體變形;另一類反映結構的局部工作狀態(tài),如纖維變 形、裂縫和局部擠壓變形等,稱局部變形。在確定觀測項目時,首先要考慮結構的整體 變形,因為它能概括結構工作的全貌,也能反映結構任何部分的異常變形或局部損壞。 同時局部變形的觀測也很重要,它能反映結構的抗裂性能,又是推斷結構實際狀況和極 限強度的主要指標,所以觀測項目和測點位置應滿足分析和推斷結構工作狀態(tài)的需要。 常見橋梁主要觀測項目有:結構的最大撓度、支座沉降、結構最大拉、壓應力和 中性軸位置、支座附近截面的主拉應力、活動支座的變化以及裂縫的出

57、現(xiàn)和擴展。幾種 主要橋梁的檢測部位和觀測項目如下表:水平位 截面應力(應變 撓度 轉角 下沉移 簡支梁 跨中、四分點、支點 跨中、四分點 支點連續(xù)梁 跨中、四分點、支點 跨中、四分點 支點 支座懸臂梁 支點、牛腿 牛腿、跨中 梁端、支點拱橋 跨中、四分點、拱腳 跨中、四分點、八分點 墩臺 墩臺 墩臺 剛架拱 跨中、結點、拱腳 跨中、結點 柱腳斜拉橋和跨中、主纜、斜拉索 跨中、匹分點 塔頂 索塔 塔頂 懸索橋b、測量部位選擇與測點布設測量部位的選擇與測點布設的原則有:在滿足試驗目的的前提下,測點數(shù)量與布置必須充分、足夠,測點宜少不宜多 以便試驗工作重點突出;測點位置必須有代表性,以利計算分析應布設一定數(shù)量的校核測點,以保證測量數(shù)據(jù)可靠。此外,測點的布置對試驗工 作應是安全和方便的。c、儀器儀表的選擇與測讀原則根據(jù)觀測項目需要選擇儀器儀表時,應從實際需要出發(fā)選擇滿足測試精度要求的 儀器儀表,但要注意環(huán)境條件,避免盲目追求精度。儀器儀表要有足夠的量程,型號規(guī) 格要一致,種類盡可能少一些。在測點較多時,宜用電測儀表。21浙江大學碩士學位論文(2006 第二章橋梁荷載試驗的方法d、觀測方法的確定選擇觀測方法時,要根據(jù)試驗方案所提供的客觀條件,密切結合加載程序來確定。 位移測量位移