鐵路漢亭中橋成橋現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)

章繼樹

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，高級(jí)工程師，廣西 南寧 530003）

漢亭中橋是廣西華銀鋁業(yè)有限公司鐵路專用線上的一座鐵路橋，橋位于山間谷地，地勢(shì)平坦開闊，采用3-20 m簡(jiǎn)支T梁跨越馬隘河，橋墩采用圓形橋墩，橋臺(tái)采用T形橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。鐵路專用線按工業(yè)企業(yè)Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度55 km/h，橋梁設(shè)計(jì)荷載為中-活載。該橋簡(jiǎn)支T梁采用在橋位處現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，汽車吊吊裝就位的方法施工。由于T梁預(yù)制不是在工廠或制梁場(chǎng)內(nèi)制造，同時(shí)在該橋T梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿過程中發(fā)現(xiàn)有漿液從梁體滲出等問題，為了正確評(píng)估該橋的工程質(zhì)量，掌握該橋成橋后的力學(xué)性能及承載能力狀況，為該橋運(yùn)營(yíng)階段的管養(yǎng)維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，決定在橋梁架設(shè)完成后對(duì)該橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)。通過分步加載對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力和使用狀態(tài)檢測(cè)，并經(jīng)數(shù)據(jù)分析判斷橋梁能否達(dá)到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求和滿足鐵路正常運(yùn)營(yíng)的需要。

1 靜載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)內(nèi)容包括在靜荷載作用下測(cè)試橋梁各控制部位的應(yīng)力；在靜荷載作用下測(cè)試橋梁各控制部位的豎向位移（撓度）值；在靜荷載作用下觀察梁體有無裂縫。

1.2 試驗(yàn)方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)采用汽車等效荷載加載方法。通過對(duì)測(cè)試部位測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行影響線計(jì)算，確定載重汽車布置位置和鋼筋放置位置，使之與橋梁設(shè)計(jì)荷載中-活載考慮列車豎向動(dòng)力作用后等效〔1〕。

1.3 測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備采用多功能數(shù)據(jù)采集儀（TDS-602日本TML）、智能信號(hào)采集分析處理儀（IAV306U北京東方所）、位移傳感器（CDP-25日本TML）等。

1.4 試驗(yàn)跨及部位選擇該橋上部結(jié)構(gòu)采用20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，根據(jù)簡(jiǎn)支橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照結(jié)構(gòu)最不利原則，本荷載試驗(yàn)選擇第2跨橋梁支座截面和跨中截面進(jìn)行測(cè)試。

1.5 測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，本試驗(yàn)對(duì)橋梁跨中進(jìn)行縱向應(yīng)力和豎向撓度測(cè)試，對(duì)支座截面測(cè)試支座位移和45°方向應(yīng)力。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置：在被測(cè)試T梁跨中截面布置縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試橋梁跨中縱向拉應(yīng)力；在德保端支座截面布置45°應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試支座45°拉應(yīng)力。

撓度測(cè)點(diǎn)布置：在被測(cè)試T梁的跨中截面梁底布置撓度測(cè)點(diǎn)。

1.6 加載方案

1.6.1 最不利荷載及試驗(yàn)加載荷載的計(jì)算 根據(jù)橋梁實(shí)際情況，本試驗(yàn)采用等效應(yīng)力荷載進(jìn)行加載。試驗(yàn)前先根據(jù)工程所在地情況，采用鋼筋混凝土軌枕、道砟、鋼筋和600 kN加載車進(jìn)行加載（對(duì)每輛加載車的軸重需嚴(yán)格稱重，軸距標(biāo)準(zhǔn)需核實(shí)）。根據(jù)跨中截面彎矩影響線，計(jì)算橋梁設(shè)計(jì)荷載及試驗(yàn)荷載作用下的主梁內(nèi)力，得出M試驗(yàn)和M設(shè)計(jì)。加載效率η=M試驗(yàn)/M設(shè)計(jì)，按《大跨徑混凝土橋梁試驗(yàn)方法》〔2〕調(diào)整確定試驗(yàn)荷載布載方式，使η=0.8～1.05。

由于僅采用重載汽車作為試驗(yàn)荷載無法滿足與中-活載等效的試驗(yàn)要求，在試驗(yàn)過程中擬先在橋梁上鋪設(shè)道砟至道砟槽頂面，再輔以軌枕和成捆鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)加載。共用鋼筋混凝土軌枕25根，重87.5 kN；Φ 32螺紋鋼筋4捆，重106 kN；Φ28螺紋鋼筋10捆，重289.8 kN。重載汽車2臺(tái)，分別是1號(hào)車（桂L32780），其前中后軸重分別為113.2 kN、255.1 kN、255.1 kN，前中后軸距為3.85 m、1.35 m；2號(hào)車（桂L25254），其前中后軸重分別為111.2 kN、246.8 kN、246.8 kN，前中后軸距為3.85 m、1.35 m。

1.6.2 靜載加載程序 靜載試驗(yàn)加載為分級(jí)加載，每加一級(jí)荷載需監(jiān)測(cè)其應(yīng)變及位移，并作好記錄，以保證加載安全。

試驗(yàn)工況為正載工況，首先鋪設(shè)的梁頂?shù)理陌磩虿己奢d考慮，隨后逐級(jí)布設(shè)鋼筋混凝土軌枕、鋼筋和2輛雙后軸加載車，至加載效率η=0.93，測(cè)試跨中截面梁底應(yīng)力和撓度值以及支座截面剪應(yīng)力和位移值。分步加載如下：

Ⅰ.加22根鋼筋混凝土軌枕，共重77 kN，沿橋梁兩側(cè)均勻布設(shè)。

Ⅱ.加3根鋼筋混凝土軌枕，重10.5 kN；14捆鋼筋，重395.8 kN。共重406.3 kN。集中布設(shè)于橋梁跨中2.5 m范圍。

Ⅲ.在德保端上1號(hào)車，后軸距試驗(yàn)梁跨跨中2.5 m。

Ⅳ.在廠區(qū)端上2號(hào)車，后軸距試驗(yàn)梁跨跨中2.69 m。

以上試驗(yàn)荷載橫橋向均居中布置。1.6.3 靜載試驗(yàn)終止加載的控制條件

1）控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值已達(dá)到或超過用彈性理論或按規(guī)范安全條件計(jì)算的控制應(yīng)力值時(shí)。

2）控制測(cè)點(diǎn)的變位（或撓度）超過規(guī)范允許值時(shí)。

3）由于加載，使結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度、寬度急劇增加，新裂縫大量出現(xiàn)，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命造成較大的影響時(shí)。荷載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的正面見圖1、側(cè)面見圖2所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)正面

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)面

2 荷載試驗(yàn)理論計(jì)算

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖，利用通用有限元分析軟件建立ABAQUS三維空間模型，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為879 16，單元數(shù)為691 14。理論計(jì)算模型見圖3、橋梁模型荷載加載見圖4所示。計(jì)算模型中，X軸為橫橋向，Y軸為豎向，Z軸為縱橋向，邊界條件為在支座處施加支撐約束，固定支座為X、Y、Z三向支撐，活動(dòng)支座為X、Y二向支撐。

圖3理論計(jì)算模型

圖4橋梁模型加載圖

3 試驗(yàn)測(cè)試與成果分析

梁體混凝土采用C 40，混凝土彈性模量為E=3.40×104MPa；錨穴采用C 35無收縮性混凝土填塞；橫隔板聯(lián)結(jié)處細(xì)石混凝土標(biāo)號(hào)同梁體；縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型公稱直徑為15.2 mm、強(qiáng)度級(jí)別為1 860 MPa的低松弛鋼絞線，彈性模量為195 Gpa；橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用精軋螺紋鋼，彈性模量為200 GPa；普通鋼筋采用Q 235鋼筋及HRB 335級(jí)鋼筋〔3〕。荷載試驗(yàn)按1.6.2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ試驗(yàn)荷載方式分步加載，分別記錄下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變及位移監(jiān)測(cè)值，同之前采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS相應(yīng)工況下計(jì)算出的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及位移的理論值進(jìn)行分析比較。

3.1 荷載試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試荷載測(cè)試的加載過程，包括預(yù)加載、加載卸載、加卸載時(shí)間間隔等都嚴(yán)格按試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，并逐級(jí)加載。在加載過程中觀測(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變及位移變化及卸載后的綜合回彈狀況，待變形穩(wěn)定后測(cè)讀相關(guān)應(yīng)變及豎向位移〔4〕。在加載過程中，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試值和計(jì)算值見表1和表2（僅列出上游側(cè)T梁）；每級(jí)荷載加載的縱向應(yīng)力沿梁高的應(yīng)力分布見圖5，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

表1 面應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試成果表 單位：MPa

表2 支座截面45°應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試成果表 單位：MPa

圖5 上游T梁縱向應(yīng)力沿梁高布置圖

結(jié)果對(duì)比分析表明：

1）在各試驗(yàn)荷載分步作用下，各測(cè)試截面應(yīng)力分布（大小及正負(fù)）與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，測(cè)試值小于計(jì)算值。

2）試驗(yàn)荷載作用下跨中截面梁底測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值為3.60 Mpa，相應(yīng)的計(jì)算最大值為3.95 Mpa，測(cè)試值小于計(jì)算值，其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試值分布規(guī)律與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。

3）試驗(yàn)荷載作用下支座截面45°應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值為1.29 Mpa，相應(yīng)的計(jì)算最大值為1.38 Mpa，測(cè)試值小于計(jì)算值，其他測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試值分布規(guī)律與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。

4）跨中截面順橋向應(yīng)力沿梁高變化規(guī)律較好，基本符合平截面假定。

5）支座截面45°應(yīng)力沿梁高變化規(guī)律較好，除部分位置受預(yù)應(yīng)力筋作用影響外，基本符合支座截面45°的應(yīng)力分布規(guī)律。

6）由于橋梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，跨中梁底恒載（自重加預(yù)應(yīng)力作用）壓應(yīng)力值大于10 Mpa，因而，疊加試驗(yàn)荷載后，跨中梁底仍處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力值小于C40混凝土允許應(yīng)力值。卸載后，各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的殘余變形小于3 mm，證明橋梁具有良好的恢復(fù)能力，結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)。

3.2 荷載試驗(yàn)撓度測(cè)試在試驗(yàn)荷載作用下，位移（撓度）測(cè)試與應(yīng)變測(cè)試同步進(jìn)行。橋梁支座截面和跨中截面的位移試驗(yàn)結(jié)果見表3。表中各測(cè)點(diǎn)豎向位移向上為負(fù)、向下為正。

表3 位移測(cè)試成果表 單位：mm

從位移測(cè)試成果表中可看出，各工況下各測(cè)點(diǎn)豎向位移實(shí)測(cè)值分布合理。測(cè)得T梁最大豎向位移fmax=4.92 mm，理論計(jì)算值fmax=5.02 mm，實(shí)測(cè)值小于相應(yīng)的理論計(jì)算值。同時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值均小于《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定的簡(jiǎn)支T梁容許撓度值fmax=30 mm。

卸載后測(cè)試殘余豎向位移值，各測(cè)點(diǎn)均小于0.05 mm，與應(yīng)力測(cè)試一樣，同樣說明橋梁具有良好的恢復(fù)能力，橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

通過靜載試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）從應(yīng)力測(cè)試分析結(jié)果可知，橋梁控制截面各測(cè)點(diǎn)在最不利荷載工況作用下，跨中截面梁底應(yīng)力值小于混凝土允許應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求。

2）在最不利荷載下，跨中截面實(shí)測(cè)最大撓度值遠(yuǎn)小于《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定的允許設(shè)計(jì)值L/800，說明該橋的剛度滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

3）試驗(yàn)過程未見梁體出現(xiàn)裂縫。

目前，該橋已順利建成，并于2011年7月通過竣工驗(yàn)收，2011年10月通車運(yùn)營(yíng)至今狀態(tài)良好。同時(shí)，由于鐵路橋梁荷載試驗(yàn)多在橋梁工廠或預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行，成橋后現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)未見報(bào)道，故該橋采用的現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)方法能為今后鐵路橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)提供借鑒作用。

〔1〕鐵道部.TB 10002.1-2005/J 460-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范〔S〕.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005

〔2〕交通部公路科學(xué)研究所，交通部公路局技術(shù)處，交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法〔R〕.在柏林舉行的專題第五次專家會(huì)議通過，1982

〔3〕鐵道部.TB 10002.3-2005/J 462-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005

〔4〕建設(shè)部.GB50152-92混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)〔S〕.北京：建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，1992.