CN113776946A - 一种适用于大型钢渡槽结构的静动载试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，针对渡槽结构的荷载试验，其静载试验和动载试验是同时进行的，在渡槽的充水和排水试验工况中，同时采集钢渡槽结构的静、动力信息，对试验的测点布置、加载方式、传感器选择、测试内容等方面做了具体布置，有效实现了该类结构的静动载试验测试，具有重要的工程实用价值。通过充水试验即可完成渡槽的荷载试验，由于静载试验和动载试验同时进行并监测，节省了大部分的时间，减小了暂停工作对于项目的影响，节约了试验成本。

Description

一种适用于大型钢渡槽结构的静动载试验方法
技术领域
本发明涉及渡槽质量检测技术领域，具体涉及一种适用于大型钢渡槽结构的静动载试验方法。
背景技术
近年来，由于通航水运的发展和需求，国内外建设了很多大型渡槽结构，但这些渡槽多以混凝土梁式体系为主，钢结构渡槽使用较少。大型钢结构渡槽与混凝土结构渡槽相比，设计、施工及后期运维难度较大。钢渡槽整个结构系统复杂，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等灾害因素的共同作用下，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下可能引发灾难性的突发事故，因此对其健康监测系统开发及关键技术研究具有重要意义。
区别于传统公路桥梁结构，钢渡槽结构由于设计荷载的特殊性，导致其受力性能及关键截面的选取与传统桥梁结构具有较大差异，而目前针对此类型结构的静动载试验方法的研究相对较少。
荷载试验是健康监测中必不可少的检测项目。渡槽的荷载试验即为充水试验，目的是通过加载试验，记录渡槽在荷载作用下的结构反应，为渡槽结构技术状况及承载能力评定和日后养护、维修、加固的决策提供科学依据和支持。对于采用新材料、新工艺、新技术建成的渡槽，通过充水试验，研究渡槽结构的力学行为，总结结构受力行为的一般规律，进一步验证渡槽设计理论和假定，探索具有普遍意义的规律，为发展设计计算理论、完善现有规范积累资料。
目前国内大型钢渡槽健康监测案例并不多，可借鉴的渡槽荷载试验测试方法也比较少。开展渡槽荷载试验需要暂停渡槽正常工作，该试验费时费力，成本高，一般进行荷载试验的周期比较长，导致所获得的实验数据较少且不完整，影响荷载试验的准确性。此外，暂停工作也给渡槽的使用和项目的进展带来诸多不便。因此，发展一种适用于大型钢渡槽结构的荷载试验测试方法可以克服或者减少现有技术的上述缺陷。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，对试验的测点布置、加载方式、传感器选择、测试内容等方面做了具体布置，有效实现了该类结构的静动载试验测试，具有重要的工程实用价值。
一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其所述步骤主要包括：
(1)建立钢渡槽结构的有限元模型，结合有限元模型分析结果，选取合适的测试截面并进行测点布置；正式注水前应将各种监测设备布置到位，即开始监测和记录数据；
(2)充水试验前，对渡槽各应力及变形测点进行实时监测，确认结构协调变形已稳定，即可进行充水试验；
(3)进行预充水试验：充水加载或排水卸载后，进行环境数据实时监测并静停12h，然后利用各类传感器(包括应变、位移、加速度、环境传感器等)对渡槽进行数据采集，并同时监测结构是否出现异常行为，如裂缝、渗水等；预充水试验完成后静置24h，并监视数据的变化；
(4)按照荷载工况进行正式充水试验，在充、排水时均分5级进行加载、卸载，每级加载均需静停12h后再进行数据监测，待渡槽内水位达到设计水位时，停止充水，静停12h后进行数据监测；
(5)按照荷载工况进行排水卸载试验，每级卸载后，进行数据监测，静停24h后，分别对渡槽结构进行静力和模态数据进行采集，并对结构的异常行为进行监测；
(6)待排水结束后，拆除围堰、撤除设备、局部积水部位清理。
进一步地，所述测试截面及测点主要包括：最大正弯矩测试截面、最大负弯矩测试截面、支座位移测点、渡槽钢腹板变形测点、伸缩缝位移测点以及环境测点。
进一步地，所述环境测点位置同应力测点一致，并与应力同步测量，环境测点监测的环境数据包括温度、风向、风速、湿度。
进一步地，在预冲水试验前监测渡槽结构是否稳定，具体是指若监测数据波动在设计允许值范围内，并持续1小时内无明显变化，说明结构协调变形已稳定，可以进行充水试验；此时的监测数据可作为充水试验的初始数据。
进一步地，所述步骤(3)预充水试验，具体步骤为：
(1)预充水水位为1级加载水位，充水水压与流量根据预充水水位及充水时间确定，确保充水时间不少于12h；
(2)待充水达到预定值后，静停12h后进行排水，待水槽排水完成后，再静停24h用于结构稳定。
进一步地，步骤(4)充水试验按照如下步骤进行：
(1)进行1级加载，加载水位为L/5，加载时间为1天，待加载水位到达指定位置后，静停12h用于结构稳定，然后进行静力和动力数据采集，连续采集时间为1天；其中L为试验加载水位总高度，根据设计荷载等级确定水位高度L；
(2)待1级加载数据采集完成后，进行2级加载，加载至水位升高至2L/5处，静停12h后进行数据采集；
(3)依次类推，分别进行渡槽结构的3级、4级和5级加载，加载等级的数量应根据试验荷载值确定，一般取5级加载为宜。
进一步地，所述步骤(5)排水卸载试验步骤如下：
(1)从渡槽进、出口两个方向同时排水，1级卸载为12h内排水高度为L/5，待渡槽内水位降到设计水位时，停止排水并静停24h，然后连续进行1天的渡槽数据采集；
(2)2级至4级卸水量分别为L/5，静停24h后进行数据连续采集；
(3)5级卸载为渡槽内加载用水全部排出，静停24h后进行连续1天的数据监测。
渡槽静载试验是通过不同水位荷载作用下测试结构受力情况，检测渡槽结构的静力性能是否满足设计要求。在钢渡槽的静载试验中，应准确控制每级水位，确保不同水位荷载结构响应的理论值与实测值具有可比性，及时判断结构的受力状态。
渡槽的动载试验即为脉动试验，指在渡槽无任何动荷载及桥址附近无规则振源的情况下，测试渡槽同于风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起渡槽的微幅振动响应，测试渡槽在不同水位状态下的自振频率、阻尼比等动力参数。
本发明中针对渡槽结构的荷载试验，其静载试验和动载试验是同时进行的，在渡槽的充水和排水试验工况中，同时采集钢渡槽结构的静、动力信息，对试验的测点布置、加载方式、传感器选择、测试内容等方面做了具体布置，有效实现了该类结构的静动载试验测试，具有重要的工程实用价值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，耗费时间短。由于静载试验和动载试验同时进行并监测，节省了大部分的时间，减小了暂停工作对于项目的影响，节约了试验成本。
第二，加载方式简单，试验结果可靠。对于常规的渡槽荷载试验，需要确定加载的测试断面，拟定加载方案。本发明通过充水试验即可完成渡槽的荷载试验，同时钢桁架便于测点的布置，可以收集到足够多的实验数据。
附图说明
图1为渡槽静动载试验流程图；
图2为某大跨钢渡槽结构总体布置图；
图3为钢渡槽有限元仿真模型；
图4为1/2应力测试关键截面分布位置示意图；
图5为主桁变形测点布置示意图；
图6为横梁变形测点布置示意图；
图7为应变测点总体布置图；
图8为波形板变形测点布置示意图；
图9为伸缩缝测点布置示意图；
图10为支座纵向位移测点布置图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1渡槽静动载试验流程
针对渡槽结构的荷载试验，试验流程如图1所示，采集钢渡槽结构的静、动力信息，数据监测流程如下所示：
(1)正式注水前应将各种监测设备布置到位，即开始监测和记录数据。
(2)监测设备布置完成后，及时开展监测工作，并应根据实时监测数据了解渡槽各部分的变化情况。当监测数据都在设计允许值范围内，并持续1小时无明显波动，说明结构协调变形已稳定，可进行充水试验。此时的监测数据可作为充水试验的初始数据。
(3)为防止渡槽加载初期和卸载初期的荷载变化较大，从而影响监测数据的准确性，在充、排水时均分5级进行加载、卸载。
(4)进行预充水试验，加载完成后，进行环境数据实时监测并静停12h，然后利用各类传感器(包括应变、位移、加速度、环境传感器等)对渡槽进行数据采集，并同时监测结构是否出现异常行为，如裂缝、渗水等。
(5)正式充水试验时，从渡槽进、出口两个方向同时充水，每级加载均需静停12h后再进行数据监测。待渡槽内水位达到设计水位时，停止充水，静停12h后进行数据监测。在此期间调换水泵抽排方向，用于后续的卸载工况。
(6)从渡槽进、出口两个方向同时排水，按照卸载工况进行排水，每级卸载后，进行环境数据的连续监测，静停24h后，分别对渡槽结构进行静力和模态数据进行采集，并对结构的渗水、裂缝等异常行为进行监测。
(7)待排水结束后，拆除围堰、撤除设备、局部积水部位清理。
实施例2测试截面及测点的确定
测试截面选择和测点布置是渡槽荷载试验前期的一项关键步骤，对于钢渡槽结构，充水试验的目的是为了测试渡槽结构的关键截面的受力是否满足规范要求，根据有限元模型分析，重点选择结构的最不利受力位置作为测试截面。测点布置应遵循以下原则：
(1)设计荷载作用下，正弯矩最大测试断面；
(2)设计荷载作用下，负弯矩最大测试断面；
(3)设计荷载作用下，刚渡槽最大拉、压应力位置；
(4)渡槽支座及伸缩缝位移监测测点。
为突出本发明专利的优点，本发明以某大跨钢渡槽结构荷载试验为工程背景，详细说明本发明的具体实施方式。
工程背景所述的大跨钢渡槽结构总长350米，分左右两幅，其中钢渡槽全长246米，钢渡槽采用三跨钢结构桁架式梁拱组合设计，主跨跨度110米，该大跨钢渡槽结构的总体布置图如图2所示。
通过充水试验对钢渡槽结构进行安全性和可靠性检查，并及时处理结构存在的质量缺陷，排除安全隐患，为渡槽结构的总体安全、顺利通水运行提供技术保障。进行钢渡槽结构充水及荷载试验的主要目的包括：
(1)检查渡槽各部分混凝土表面是否存在裂缝及渗水情况；
(2)检查渡槽各部分分缝施工质量及止水效果；
(3)检查渡槽各部分在充、排水条件下的应力应变、变形、渗漏、环境量等情况；
(4)为确定渡槽初期运行安全监测的初始状态提供理论依据。
依据本发明所述步骤，钢渡槽静动载试验的主要实施步骤包括：
步骤一：充水试验方案设计及论证。针对本工程所述的钢渡槽结构，充水试验选择两幅同时试验方式，两幅同时进行充水试验，试验时间短，无相互干扰，一次充、排水过程对渡槽结构的正常运行影响较小。
步骤二：基于设计资料，建立钢渡槽结构的有限元模型，如图3所示，根据设计荷载等级确定控制水位高度L，并根据结构的受力分析结果，确定测试截面及测点位置。
步骤三：测试截面选择和测点布置包括以下几点：应力测试关键面选择、主结构变形测点布置、波折板变形测点布置、伸缩缝位移测点布置、支座位移测点布置和环境测点布置等。
(1)应力测试截面选择
结合有限元模型分析结果，钢渡槽结构应力测试截面布置如图4所示，主要包括边支点1-1截面，边跨2-2截面，拱脚截面(3-3)，中跨4-4截面以及跨中截面(5-5)。
(2)渡槽结构变形测点选择
结合本工程所述的渡槽结构特点，主桁上弦杆的变形测点在支座处按节点进行布置，其它位置间隔一个节点布置一个测点，拱弦测点按节点进行布置，如图5所示，横梁测点在横向分布三个变形测点，如图6所
(3)钢渡槽应变测点布置
应变测点主要是沿着高度方向纵向布置，如图7所示。拱弦截面C点为横向测点，其它应变测点为沿纵向方向应变测点。
(4)波形钢腹板变形测点布置
波折板变形测点布置截面同应变测点布置截面，测点布置在波折板中间位置选择相邻3个波峰进行测试，具体布置如图8所示。
(5)为研究钢渡槽结构在环境变化条件下的伸缩性能，需要在钢渡槽结构的伸缩缝处布置位移测点进行观测。结合工程背景所述的钢渡槽结构，分别在渡槽两侧与混凝土引桥连接部位布置测点，测点沿渡槽横截面方向对称布置，具体如图9所示。
(6)支座位移测点布置
为了测试在试验荷载作用下，滑动支座的位移性能，分别在滑动支座处设置位移传感器，单向滑动支座两侧各布置两个竖向位移传感器，双向滑动支座布置四个位移传感器，用于推算各级水位作用下的支座转角，位移传感器具体布置如图10所示。
(6)温度测点布置
温度测点布置同应力测点，与应力同步测量。
步骤四：渡槽充水与排水试验流程
(1)正式注水前应将各种监测设备布置到位，即开始监测工作、记录数据。
(2)监测设备布置完成后，及时开展监测工作，并应根据实时监测数据了解渡槽各部分的变化情况。当监测数据都在设计允许值范围内、并持续1小时无明显变化，说明结构协调变形已稳定，可以进行充水试验。此时的监测数据可作为充水试验初始数据。
(3)为防止渡槽加载初期和卸载初期的荷载变化较大，从而影响监测数据的准确性，充、排水时均分级进行加载、卸载，水位变幅控制在1.0m/d以内。
(4)预充水水位为1级加载水位1.0m，计划1天完成，静停12h后进行监测并抽水，再静停12h后进行监测并正式充水，耗时2天。
(5)从渡槽进、出口两个方向同时充水，1级加载(1.0米/天)后静停24h后进行监测，2级加载(1.0米/天)后预计静停24h后监测，3级加载(1.0米/天)后预计静停24h后监测，4级加载(1.0米/天)后渡槽槽内水位达到设计水位，停止充水，静停24h后监测。耗时8天，累计10天。
(6)继续充水，待5级加载(1.0米/天)后的渡槽槽内水位达到设计水位5.0m时，停止充水，静停24h并监测。耗时2天，累计12天。在此期间调换水泵抽排方向。
(7)从渡槽进、出口两个方向同时排水，1级卸载(1.0米/天)后的渡槽槽内水位降到设计水位，停止排水，静停24h后监测。耗时2天，累计14天。
(8)继续排水，2级～4级卸载(1.0米/天)后，分别静停24h后进行数据监测，共耗时6天，累计20天。
(9)5级卸载时，将渡槽槽内水全部排出，静停24h后进行数据采集。耗时2天，累计22天。
(10)待荷载试验结束后，拆除围堰、撤除设备、局部积水部位清理。
步骤五：在充水试验的同时，采集静载和动载试验数据。在进行预充水试验、正式充水试验和排水试验过程中、完成时和静停过程中，实时监测支座、伸缩缝的位移值，并实时监测所有测点的应变。同时在试验过程中将测试以下工况的自振频率：空载作用下渡槽的动力参数；各级充水作用下的动力参数；全部排空下的动力参数。
包括如下步骤：
(1)选取合适的测试截面并进行测点布置；
(2)充水试验进行前，对渡槽各部位进行持续1小时的监测，若监测数据无明显变化，说明结构协调变形已稳定；
(3)进行预充水试验，完成后静置监测；
(4)按照荷载工况进行充水试验，每级加载后都要静置监测；
(5)按照荷载工况进行卸载试验，每级卸载之后都要静置监测；
(6)拆除围堰、撤除设备、局部积水部位清理。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其所述步骤主要包括：
(1)建立钢渡槽结构的有限元模型，结合有限元模型分析结果，选取合适的测试截面并进行测点布置；正式注水前应将各种监测设备布置到位，即开始监测和记录数据；
(2)充水试验前，对渡槽各应力及变形测点进行实时监测，确认结构协调变形已稳定，即可进行充水试验；
(3)进行预充水试验：充水加载或排水卸载后，进行环境数据实时监测并静停12h，然后对渡槽进行数据监测，同时监测结构是否出现异常行为；预充水试验完成后静置24h，并监视数据的变化；
(4)按照荷载工况进行正式充水试验，在充、排水时均分5级进行加载、卸载，每级加载均需静停12h后再进行数据监测，待渡槽内水位达到设计水位时，停止充水，静停12h后进行数据监测；
(5)按照荷载工况进行排水卸载试验，每级卸载后，进行数据监测，静停24h后，分别对渡槽结构进行静力和模态数据进行采集，并对结构的异常行为进行监测；
(6)待排水结束后，拆除围堰、撤除设备、局部积水部位清理。
2.根据权利要求1所述的一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，所述测试截面及测点主要包括：最大正弯矩测试截面、最大负弯矩测试截面、支座位移测点、渡槽钢腹板变形测点、伸缩缝位移测点以及环境测点。
3.根据权利要求2所述的一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，所述环境测点位置同应力测点一致，并与应力同步测量，环境测点监测的环境数据包括温度、风向、风速、湿度。
4.根据权利要求1所述一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，在预冲水试验前监测渡槽结构是否稳定，具体是指若监测数据波动在设计允许值范围内，并持续1小时内无明显变化，说明结构协调变形已稳定，可以进行充水试验；此时的监测数据可作为充水试验的初始数据。
5.根据权利要求1所述的一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，所述步骤(3)预充水试验，具体步骤为：
(1)预充水水位为1级加载水位，充水水压与流量根据预充水水位及充水时间确定，确保充水时间不少于12h；
(2)待充水达到预定值后，静停12h后进行排水，待水槽排水完成后，再静停24h用于结构稳定。
6.根据权利要求1所述的一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，步骤(4)充水试验按照如下步骤进行：
(1)进行1级加载，加载水位为L/5，加载时间为1天，待加载水位到达指定位置后，静停12h用于结构稳定，然后进行静力和动力数据采集，连续采集时间为1天；其中L为试验加载水位总高度，根据设计荷载等级确定水位高度L；
(2)待1级加载数据采集完成后，进行2级加载，加载至水位升高至2L/5处，静停12h后进行数据采集；
(3)依次类推，分别进行渡槽结构的3级、4级和5级加载，加载等级的数量应根据试验荷载值确定，一般取5级加载为宜。
7.根据权利要求1所述的一种大型钢渡槽结构的静动载试验方法，其特征在于，所述步骤(5)排水卸载试验步骤如下：
(1)从渡槽进、出口两个方向同时排水，1级卸载为12h内排水高度为L/5，待渡槽内水位降到设计水位时，停止排水并静停24h，然后连续进行1天的渡槽数据采集；
(2)2级至4级卸水量分别为L/5，静停24h后进行数据连续采集；
(3)5级卸载为渡槽内加载用水全部排出，静停24h后进行连续1天的数据监测。
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