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【摘 要】桥头搭板做为过渡性措施,以缓解桥头突变性跳车以及将桥头差异沉降分散在一定距离范围内,有较好改善效果,本文通过对高速公路桥头搭板静载和动载试验进行研究,对桥头搭板的结构形式的合理性,以及试验桥头的行车舒适性进行分析。
【关键词】桥头搭板;静载试验;动载试验;行车舒适性
Research and analysis of highway Slab Bridge Embankment load test
Du Zhen-ning, Tang Ding
(Shandong Province Highway Testing Center Jining Shandong 272000)
【Abstract】Slab as a transitional measure to alleviate the mutation of bridge jumping and to bridge differences dispersed settlement within a certain distance, better to improve the results, this highway bridge slab through the static and dynamic load test study the structure of the bridge slab form of rationality, and the test comfortable lane bridge were analyzed.
【Key words】Slab; static load test; dynamic test; driving comfort
1. 桥头搭板试验概况
1.1 桥头搭板的设置。
试验采用20号混凝土的50°斜交钢筋混凝土板,试验板宽度11.05m,厚度0.3m,板长为4m,在高速公路全副范围内分别采用有枕梁和无枕梁设计,全部为连续构造。
试验搭板中纵向钢筋为?准12螺纹钢筋,横向为?准8光圆钢筋,搭板的二个钝角处采用?准12钢筋补强。
枕梁亦采用20#混凝土的钢筋混凝土梁,其长度11.05m,宽度为1.00m,高度为0.8m。
1.2 试验桥搭板下填料与施工工艺。
为了对桥头路堤沉降实行综合防治措施,不仅采用搭板,而且对搭板下填料及基质进行换填,并设置30m的过渡段。桥头搭板4m长度范围内,在试验路段全宽分别在两个半幅上采用不同的路基结构层。
试验搭板下填料组成:北端:搭板以下,地基以上全部换填二灰土,配合比(重量比):石灰:粉煤灰:砂土=7:23:70 南端:搭板以下,地基以上全部换填天然砂砾。
基底处理:台背基坑全部换填天然级配砂砾,15cm一层,层层夯实,密实度>95%,过渡段基底挖去0.5m的表层耕植土,换填天然级配砂砾。
2. 桥头搭板静载试验与分析
2.1 桥头搭板静载试验的测试系统、荷载工况及测点布置。
静载试验仪器与系统:静力试验所用的电测式量测系统将结构位移或应变等机械量转换成电讯号,通过放大和接受将电讯号又以机械量值给出的一种量测系统。搭板下土压力值采用VW-1弦振读数仪来测定。
荷载工况:工况一:二台超-20中线偏心加载,次数为3次;工况二:三台超-20中线中心加载,次数为3次。试验荷载采用装满沥青混凝土车辆太脱拉重载汽车。
测点布置:为了测试在荷载作用下搭板底面对路基产生压力大小,以便判断是否有脱空即脱空位置,在搭板中心线纵向埋设四个土压力盒,在枕梁下埋设了三个土压力盒。
2.2 试验结果与初步分析。
中心加载搭板下的土压力盒读数以及枕梁下土压力和读数值见表。
测试结果表明,搭板下1#,2#土压力盒变化值远小于3#土压力盒,显示桥台台背路堤2米范围内有脱空的趋势,枕梁301#土压力盒在靠近中央分隔带,303#在耳墙附近,303#变化值小于301#可知耳墙及锥坡附近路堤可能产生了一定数量的下陷。由此可见,桥头下陷区域不仅发生在台背,边坡的下陷也是造成桥头下沉的原因之一, 它使得搭板受力不匀,甚至会使板边缘发生裂隙。
3. 桥头搭板动载试验与分析
3.1 桥头搭板动载试验测试系统,荷载工况及测点布置。
动载试验仪器与系统:动载测试仪器由YJ-3-1型加速度传感器;2635型电荷放大器CD-7-C型速度传感器;GZ-2型六线测振仪,2034型动态分析仪及2313型图表记录仪等组成,电动式测试系统框图如图所示:
荷载工况:振动试验(跑车试验),以东风140汽车(半重载75KN)沿桥中心分别以不同速度通过桥位及搭板联接部位,使上部结构及搭板产生不同程度的强迫振动。
冲击试验(跳车试验),以75KN重的太脱拉后轮越过位于跨中断面高20cm三角垫木,使突加的瞬时冲击力作用于桥梁结构和搭板上,从而引起具有附加质量的自由振动。冲击试验分别在桥孔跨中,普通搭板和试验搭板上进行。
行车舒适性试验,采用状态良好的标致轿车,以不同速度匀速通过试验桥,产生不同的振动加速度。标致轿车以40~120Km/h,每次递增10Km/h。
测点布置:振动试验和冲击荷载试验的测点布置
动应变测点利用试验桥头搭板设置三个竖向位移传感器,以此推求结构动力响应和动力特性。在路面上,沿线路方向在普通搭板,试验搭板和桥上,分别布置CD-7-C,CD-7-S速度计,YE14015加速度计,测取桥面垂直、纵向和水平振动信号。
汽车舒适性试验测点布置:汽车舒适性试验是将加速度传感器分别布置在汽车前桥、后桥、司机座椅和车架上。
3.2 试验结果与分析。跳车、跑车试验确定结构自振频率,结构动态特性的分析:根据测试结果,试验段路面振动固有频率为4.1312HZ,普通搭板在工作(约束)条件下,固有频率为5.750HZ,试验桥固有频率为9.00~9.25HZ,试验搭板在工作(约束)条件下固有频率为11.062HZ。
试验结果表明,普通板固有频率为5.750,介于桥梁固有频率与路面固有频率之间,形成搭板的刚度阶梯形变化,而试验板固有频率过大,甚至大于桥梁的固有频率,说明试验板刚度过大,分析造成该部分刚度过大的原因是由于搭板搁置在枕梁上,由于施工时,将搭板与桥梁浇筑在一起,使远台方向的搭板端部形成一个很大的截面,刚度有一个突然的增大,当车辆驶过这个搭板边缘时,振动频率差值增大,长期作用后,会使枕梁处产生二次跳车。
与此同时,搭板下的台背填料一般选用颗粒材料,刚度大,密实度好的材料,加上搭板的厚度和结构配筋也增加桥头刚度。
行车舒适性分析:对于车辆驶过试验桥头的舒适性分析,主要参考了国际标准ISO2631《人体承受整体振动的评价标准》。根据不同工况下的振动加速度az的时间历程,按照ISO2631中规定的人体承受振动能力的评价指标“降低舒适界限”,通过差值计算求得测点处乘员舒适界限的Tcd值。
测试结果中座椅的振动加速度曲线不同车速对应的振动加速度的Tcd值不同,标致轿车,时速V=40,50,60,70,80,120Km/h的振动加速度值都在Tcd=4h~16h之间,而时速V=90,100Km/h时,Tcd=1h~2.5h。
试验结果表明,轿车以40~80Km/h,以及120Km/h时速通过试验段,在该工作状况下可持续4~16小时不感到疲劳,时速为90,100Km/h时,工作时间为1~2.5小时,故路面行车的舒适性较好。
4. 结论
通过现场静、动载试验,对搭板受力状态下的变形形态,结构振动特性和行车舒适性进行了分析研究,得出如下结论:搭板下的脱空现象普遍存在,并随时间逐渐增加。它不仅与台背基底固结和填料压缩有关,同时还受到边坡及锥坡稳定性的影响;枕梁的作用是调整搭板内力,做为车辆从路堤驶上搭板的缓冲。当路堤横向沉降不均匀时,由于枕梁增加了搭板的横向抗弯刚度对减少搭板的横向变形有重要的作用,但是,由于路堤整体稳定性较好时,就不采用枕梁,以免增加搭板刚度,使路面到桥面形成刚度的梯度变化;对于桥头跳车一般采用综合防治措施,当桥台台背填料采用颗粒材料或者半刚性材料(如二灰土)时,这时可考虑在保住搭板良好的使用性能的同时适当减少搭板的厚度或减少配筋量;通过参照国际标准对试验桥头的舒适性进行评价,证明搭板的刚度调整可改善路桥结合部的行车舒适性,对解决桥头跳车有重要的意义。
[文章编号]1006-7619(2010)04-13-285
[作者简介]杜振宁(1982.1.12-),男,职称:助理工程师。
【关键词】桥头搭板;静载试验;动载试验;行车舒适性
Research and analysis of highway Slab Bridge Embankment load test
Du Zhen-ning, Tang Ding
(Shandong Province Highway Testing Center Jining Shandong 272000)
【Abstract】Slab as a transitional measure to alleviate the mutation of bridge jumping and to bridge differences dispersed settlement within a certain distance, better to improve the results, this highway bridge slab through the static and dynamic load test study the structure of the bridge slab form of rationality, and the test comfortable lane bridge were analyzed.
【Key words】Slab; static load test; dynamic test; driving comfort
1. 桥头搭板试验概况
1.1 桥头搭板的设置。
试验采用20号混凝土的50°斜交钢筋混凝土板,试验板宽度11.05m,厚度0.3m,板长为4m,在高速公路全副范围内分别采用有枕梁和无枕梁设计,全部为连续构造。
试验搭板中纵向钢筋为?准12螺纹钢筋,横向为?准8光圆钢筋,搭板的二个钝角处采用?准12钢筋补强。
枕梁亦采用20#混凝土的钢筋混凝土梁,其长度11.05m,宽度为1.00m,高度为0.8m。
1.2 试验桥搭板下填料与施工工艺。
为了对桥头路堤沉降实行综合防治措施,不仅采用搭板,而且对搭板下填料及基质进行换填,并设置30m的过渡段。桥头搭板4m长度范围内,在试验路段全宽分别在两个半幅上采用不同的路基结构层。
试验搭板下填料组成:北端:搭板以下,地基以上全部换填二灰土,配合比(重量比):石灰:粉煤灰:砂土=7:23:70 南端:搭板以下,地基以上全部换填天然砂砾。
基底处理:台背基坑全部换填天然级配砂砾,15cm一层,层层夯实,密实度>95%,过渡段基底挖去0.5m的表层耕植土,换填天然级配砂砾。
2. 桥头搭板静载试验与分析
2.1 桥头搭板静载试验的测试系统、荷载工况及测点布置。
静载试验仪器与系统:静力试验所用的电测式量测系统将结构位移或应变等机械量转换成电讯号,通过放大和接受将电讯号又以机械量值给出的一种量测系统。搭板下土压力值采用VW-1弦振读数仪来测定。
荷载工况:工况一:二台超-20中线偏心加载,次数为3次;工况二:三台超-20中线中心加载,次数为3次。试验荷载采用装满沥青混凝土车辆太脱拉重载汽车。
测点布置:为了测试在荷载作用下搭板底面对路基产生压力大小,以便判断是否有脱空即脱空位置,在搭板中心线纵向埋设四个土压力盒,在枕梁下埋设了三个土压力盒。
2.2 试验结果与初步分析。
中心加载搭板下的土压力盒读数以及枕梁下土压力和读数值见表。
测试结果表明,搭板下1#,2#土压力盒变化值远小于3#土压力盒,显示桥台台背路堤2米范围内有脱空的趋势,枕梁301#土压力盒在靠近中央分隔带,303#在耳墙附近,303#变化值小于301#可知耳墙及锥坡附近路堤可能产生了一定数量的下陷。由此可见,桥头下陷区域不仅发生在台背,边坡的下陷也是造成桥头下沉的原因之一, 它使得搭板受力不匀,甚至会使板边缘发生裂隙。
3. 桥头搭板动载试验与分析
3.1 桥头搭板动载试验测试系统,荷载工况及测点布置。
动载试验仪器与系统:动载测试仪器由YJ-3-1型加速度传感器;2635型电荷放大器CD-7-C型速度传感器;GZ-2型六线测振仪,2034型动态分析仪及2313型图表记录仪等组成,电动式测试系统框图如图所示:
荷载工况:振动试验(跑车试验),以东风140汽车(半重载75KN)沿桥中心分别以不同速度通过桥位及搭板联接部位,使上部结构及搭板产生不同程度的强迫振动。
冲击试验(跳车试验),以75KN重的太脱拉后轮越过位于跨中断面高20cm三角垫木,使突加的瞬时冲击力作用于桥梁结构和搭板上,从而引起具有附加质量的自由振动。冲击试验分别在桥孔跨中,普通搭板和试验搭板上进行。
行车舒适性试验,采用状态良好的标致轿车,以不同速度匀速通过试验桥,产生不同的振动加速度。标致轿车以40~120Km/h,每次递增10Km/h。
测点布置:振动试验和冲击荷载试验的测点布置
动应变测点利用试验桥头搭板设置三个竖向位移传感器,以此推求结构动力响应和动力特性。在路面上,沿线路方向在普通搭板,试验搭板和桥上,分别布置CD-7-C,CD-7-S速度计,YE14015加速度计,测取桥面垂直、纵向和水平振动信号。
汽车舒适性试验测点布置:汽车舒适性试验是将加速度传感器分别布置在汽车前桥、后桥、司机座椅和车架上。
3.2 试验结果与分析。跳车、跑车试验确定结构自振频率,结构动态特性的分析:根据测试结果,试验段路面振动固有频率为4.1312HZ,普通搭板在工作(约束)条件下,固有频率为5.750HZ,试验桥固有频率为9.00~9.25HZ,试验搭板在工作(约束)条件下固有频率为11.062HZ。
试验结果表明,普通板固有频率为5.750,介于桥梁固有频率与路面固有频率之间,形成搭板的刚度阶梯形变化,而试验板固有频率过大,甚至大于桥梁的固有频率,说明试验板刚度过大,分析造成该部分刚度过大的原因是由于搭板搁置在枕梁上,由于施工时,将搭板与桥梁浇筑在一起,使远台方向的搭板端部形成一个很大的截面,刚度有一个突然的增大,当车辆驶过这个搭板边缘时,振动频率差值增大,长期作用后,会使枕梁处产生二次跳车。
与此同时,搭板下的台背填料一般选用颗粒材料,刚度大,密实度好的材料,加上搭板的厚度和结构配筋也增加桥头刚度。
行车舒适性分析:对于车辆驶过试验桥头的舒适性分析,主要参考了国际标准ISO2631《人体承受整体振动的评价标准》。根据不同工况下的振动加速度az的时间历程,按照ISO2631中规定的人体承受振动能力的评价指标“降低舒适界限”,通过差值计算求得测点处乘员舒适界限的Tcd值。
测试结果中座椅的振动加速度曲线不同车速对应的振动加速度的Tcd值不同,标致轿车,时速V=40,50,60,70,80,120Km/h的振动加速度值都在Tcd=4h~16h之间,而时速V=90,100Km/h时,Tcd=1h~2.5h。
试验结果表明,轿车以40~80Km/h,以及120Km/h时速通过试验段,在该工作状况下可持续4~16小时不感到疲劳,时速为90,100Km/h时,工作时间为1~2.5小时,故路面行车的舒适性较好。
4. 结论
通过现场静、动载试验,对搭板受力状态下的变形形态,结构振动特性和行车舒适性进行了分析研究,得出如下结论:搭板下的脱空现象普遍存在,并随时间逐渐增加。它不仅与台背基底固结和填料压缩有关,同时还受到边坡及锥坡稳定性的影响;枕梁的作用是调整搭板内力,做为车辆从路堤驶上搭板的缓冲。当路堤横向沉降不均匀时,由于枕梁增加了搭板的横向抗弯刚度对减少搭板的横向变形有重要的作用,但是,由于路堤整体稳定性较好时,就不采用枕梁,以免增加搭板刚度,使路面到桥面形成刚度的梯度变化;对于桥头跳车一般采用综合防治措施,当桥台台背填料采用颗粒材料或者半刚性材料(如二灰土)时,这时可考虑在保住搭板良好的使用性能的同时适当减少搭板的厚度或减少配筋量;通过参照国际标准对试验桥头的舒适性进行评价,证明搭板的刚度调整可改善路桥结合部的行车舒适性,对解决桥头跳车有重要的意义。
[文章编号]1006-7619(2010)04-13-285
[作者简介]杜振宁(1982.1.12-),男,职称:助理工程师。