市政地下隧道開挖過程中臨時(shí)鋼便橋荷載試驗(yàn)

李健偉，權(quán)冬波

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)步伐也不斷加快，目前許多城市都在大力發(fā)展城市道路，修建地下隧道、地鐵、對舊路進(jìn)行拓寬改造等等。但是也帶來許多問題，由于是城市道路，車流量一般較大，尤其在一些道路交叉口，在地下快速通道或者地鐵的修建過程中，通常要對原有路面進(jìn)行開挖，因此在保通過程中必須為市民修建臨時(shí)通道，即修建臨時(shí)便橋。所以對臨時(shí)便橋在使用過程中的靜力性能研究也顯得尤為重要。

鄭州市京廣路拓寬改造及地下隧道工程中中原路鋼便橋?yàn)?9 m跨徑貝雷梁鋼便橋，橋梁上部采用321式貝雷梁，橋面采用鋼橋面板，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載，邊部采用三排單層加強(qiáng)型桁架，中部采用三排雙層加強(qiáng)型桁架?；A(chǔ)采用混凝土灌注樁，樁長30 m，樁徑1.2 m，樁間距5.2 m，東西兩側(cè)各8根，全橋共16根，該橋設(shè)計(jì)荷載等級為公路-I級。通過該橋的靜力荷載試驗(yàn)對其靜力性能進(jìn)行研究。

2 測點(diǎn)布置及加載工況的確定

2.1 試驗(yàn)斷面及荷載的確定

由于簡支梁橋?qū)儆陟o定結(jié)構(gòu)，受力簡單明確，本橋?yàn)橐豢缦鲁惺胶喼Я航Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)共1跨，跨徑39 m，在測試時(shí)選跨中截面和四分之一截面作為測試截面，具體位置如圖1所示。

圖1 測試截面示意圖

為保證試驗(yàn)效果采用等效荷載試驗(yàn)的方法，在選擇等效試驗(yàn)荷載時(shí)，要使等效荷載試驗(yàn)作用下的控制截面內(nèi)力計(jì)算與評定荷載作用下同截面的內(nèi)力比(即荷載試驗(yàn)效率)在0.95 ～1.05之間。

通過理論計(jì)算得到各個(gè)控制截面的彎矩影響線和撓度影響線，在影響線上按最不利位置進(jìn)行自定義荷載的布載，在保證試驗(yàn)荷載不小于80%的條件下，經(jīng)計(jì)算確定靜載試驗(yàn)采用1輛400 kN的重車和1輛230 kN的重車作為加載試驗(yàn)車輛實(shí)際試驗(yàn)荷載見表1所示。

表1 加載車輛情況

2.2 試驗(yàn)工況的確定

本次荷載試驗(yàn)共分為2個(gè)工況進(jìn)行測試，具體工況名稱及加載位置見表2。

表2 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)布置

2.3 測點(diǎn)布置

對于321式貝雷梁下緣的槽鋼結(jié)構(gòu)，本次試驗(yàn)在跨中截面和四分之一截面測試車道對應(yīng)的每片縱梁底緣各布置1個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，在測試截面對應(yīng)的橫梁上各布置一個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，全橋應(yīng)變測點(diǎn)共計(jì)10個(gè)。應(yīng)變計(jì)方向均是沿橋縱向布置。

在跨中截面、四分之一截面和支點(diǎn)截面的測試車道縱梁兩側(cè)所對應(yīng)的橋面上布置撓度測點(diǎn)布置撓度測點(diǎn)，半幅橋8撓度測點(diǎn)。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移測試結(jié)果及分析

工況1、工況2情況橋梁在試驗(yàn)靜荷載作用下，試驗(yàn)橋跨的跨中截面撓度的實(shí)測值、理論計(jì)算值及校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果見表3。

南測點(diǎn) 10 16.7 17.64 0.598 8 0.946 7 6.5 10.1 12.77 0.643 6 0.790 9北測點(diǎn) 9.3 15.7 17.64 0.592 4 0.890 0 8.7 12.9 12.77 0.674 4 1.010 2

校驗(yàn)系數(shù)為試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測值與理論計(jì)算值的比值，是結(jié)構(gòu)評定的重要指標(biāo)。由上面表格可見在工況1和工況2情況下，23 t試驗(yàn)荷載作用下該橋的撓度的校驗(yàn)系數(shù)在0.59～0.68之間;40 t試驗(yàn)荷載作用下該橋的撓度的校驗(yàn)系數(shù)大部分在0.79～1.0之間，四分之一工況加載時(shí)北測點(diǎn)產(chǎn)生的撓度校驗(yàn)系數(shù)大于1，說明結(jié)構(gòu)剛度不滿足公路-I級荷載使用要求。

相對殘余撓度見表4，在0.2～3.5 mm之間，殘值率在1.9% ～22.3%之間，最大殘值 3.5 mm，殘值率 22.3%，大于20%，說明結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營荷載下不是彈性工作狀況，不符合公路-I級荷載使用要求。

殘余值0.8 0.4 2.8 3.5 0.2 0.3 0.2 0.7撓度值 10 9.3 16.7 15.7 6.5 8.7 10.1 12.9相對殘余撓度8.0% 4.3% 16.8% 22.3% 3.1% 3.4% 1.9% 5.4%

4.2 應(yīng)變測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)孔各梁在試驗(yàn)荷載作用下，跨中截面下緣混凝土最大拉應(yīng)變的實(shí)測值、理論計(jì)算值及校驗(yàn)系數(shù)見表5。

表5 工況1、2作用下?lián)蠎?yīng)變分析表(με)

由工況1和工況2的試驗(yàn)結(jié)果可見，各片縱梁梁底測點(diǎn)在試驗(yàn)荷載下最大拉應(yīng)變(應(yīng)力)基本等于或略大于理論計(jì)算值(表4)。由于23 t試驗(yàn)車輛加載時(shí)中后軸正好作用在試驗(yàn)斷面，而40 t試驗(yàn)車輛加載時(shí)沒有車軸作用在試驗(yàn)斷面，所以40 t加載車引起的橫梁應(yīng)變值小于23 t加載車輛引起的橫梁應(yīng)變值。其中：跨中截面加載時(shí)，23 t車引起的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.79，40 t車引起的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.99～1.34;四分之一截面加載時(shí)，23噸車引起的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.58～0.74，40 t車引起的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為 0.88～1.07，多數(shù)測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)大于1，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足公路-I級荷載使用要求。

實(shí)測得到的應(yīng)變殘余值為0～11.37之間，通過與前面實(shí)測應(yīng)編值可以得到相對殘值率為0% ～9.8%，小于20%，符合規(guī)范要求。

4.3 推測適合本橋的車輛荷載

現(xiàn)列出加載車作用下跨中截面撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)及平均值，見表6。由表中校驗(yàn)系數(shù)可得，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)平均值大于撓度的校驗(yàn)系數(shù)平均值，以最不利原則選取應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)平均值作為基準(zhǔn)值進(jìn)行換算。

南測點(diǎn)北測點(diǎn)0.598 8 0.592 4 0.946 7 0.890 0 0.595 6≈0.596 0.918 3≈0.918 0.671 6≈0.672 1.164 7≈1.165

以校驗(yàn)系數(shù)為0.9為控制值進(jìn)行車輛噸位的換算，根據(jù)校驗(yàn)系數(shù)平均值(23 t為 0.672，40 t為 1.165)，考慮到該橋是單向3車道，計(jì)算時(shí)需要考慮到車道折減系數(shù)0.78的影響。經(jīng)計(jì)算，23 t車的校驗(yàn)系數(shù)為0.862，40 t車的校驗(yàn)系數(shù)為1.494。對23 t加載車和40 t加載車進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算，得到噸位為24.02 t的車輛所產(chǎn)生的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)約為0.9。

由實(shí)際加載車輛和公路-I級荷載車道作用對比結(jié)果可知：23 t加載車引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)等于公路-I級車道荷載引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)的42.8%，40 t加載車引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)等于公路-I級車道荷載引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)的70%。根據(jù)23 t加載車和40 t加載車引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)占公路-I級車道荷載引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)的比重，再次內(nèi)插，得到24.02 t的加載車引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)等于公路-I級車道荷載引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)的44.43%。

通過以上論述得到：保證校驗(yàn)系數(shù)小于等于0.9的前提下，該鋼便橋允許通過的最大車輛噸位為24 t，該噸位引起的橋梁作用相當(dāng)于公路-I級車道荷載作用的44.43%。綜合靜荷載試驗(yàn)測試結(jié)果，建議該鋼便橋進(jìn)行通行車輛噸位限制，限載24噸。

5 結(jié)論

本次靜載試驗(yàn)的結(jié)果是在各工況荷載試驗(yàn)效率系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)定的前提下測出來的，所配置的各類檢測設(shè)備測試的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測試結(jié)果能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

(1)通過撓度和應(yīng)變測試得到該橋剛度和強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)荷載公路-I級的使用要求;

(2)以校驗(yàn)系數(shù)為0.9為控制值進(jìn)行車輛噸位的換算，通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等價(jià)代換，得到該橋允許通過車輛的最大噸位為24 t，并計(jì)算出該噸位引起的橋梁作用相當(dāng)于公路-I級車道荷載作用的44.43%，即該橋承載力下降了65.57%。