某擴(kuò)建簡支空心板橋靜載試驗研究

羅春福，劉 垚，高 振，歐世坤，艾 軍

（1.宿遷市公路管理處，江蘇 宿遷223800；2.南京航空航天大學(xué)土木工程系，江蘇 南京210016）

0 引言

橋梁作為交通運輸線中的重要樞紐，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和文化科技交流發(fā)揮出至關(guān)重要的作用。但在長期使用過程中，橋梁會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷，損傷的原因可能是人為因素，也可能是自然災(zāi)害[1]。此外，隨著交通量的不斷增加，載重標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，很多舊的橋梁已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代交通的通行要求[2]。這些因素不僅引起橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，加劇其自然老化，而且可能直接導(dǎo)致其承載能力和耐久性的降低，嚴(yán)重影響橋梁的正常使用和運營安全。

因此，客觀、科學(xué)地評定橋梁承載能力顯得十分重要[3]。靜載試驗是通過測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下控制截面的應(yīng)變、位移或裂縫，分析判斷橋梁的承載能力[4]。正確地運用靜載試驗，可以對所測橋梁的行車性能做出科學(xué)評估，為安全運營提供必要技術(shù)參數(shù)，還可為評價其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁受力性能提供參考[5]。本文通過對某在役鋼筋混凝土空心板橋進(jìn)行靜載試驗測試，以評估其現(xiàn)有承載能力，為后期維修與加固措施奠定試驗基礎(chǔ)。

1 工程概況

該橋于2010 年進(jìn)行改擴(kuò)建，橋跨中心線與道路中心線正交，為3 跨簡支板橋，跨徑組成為3×13m，改擴(kuò)建后橋面總寬26m，其中，老橋部分寬12.75m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。本次的測試對象為老橋靠近橋臺的半跨部分，每跨橫向由12 片預(yù)應(yīng)力空心板組成，板厚67cm，中板寬99cm，邊板寬137cm，板間鉸縫寬1cm。預(yù)制空心板、鉸縫及橋面整體現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級為C50，墩樁、樁基及臺帽混凝土為C30。橋面布置為：0.75m（護(hù)欄）+11.5m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）。設(shè)計荷載為汽—20 級、掛—100 級。主梁橫斷面布置圖如圖1所示。

圖1 主梁橫斷面示意圖（單位：cm）

2 靜載試驗設(shè)計

2.1 測試截面和工況設(shè)置

該橋為預(yù)制空心板橋，跨徑為13m，控制截面取跨中及支點截面，重點考察跨中截面；由于橋面對稱，選取半幅板為測試板，總共6塊板。

靜載試驗采用汽車加載，對控制截面的最不利荷載用試驗車輛，按靜力等效原則進(jìn)行模擬，加載單車總重340kN。根據(jù)考察荷載橫向分布的需要及理論計算確定的不利加載工況，本試驗取四個荷載工況如下：

（1）工況Ⅰ：橫向分布加載，1輛車，分五級加載；

（2）工況Ⅱ：跨中截面彎矩控制對稱加載，3輛車，分三級加載；

（3）工況Ⅲ：跨中截面彎矩控制偏載，3 輛車，分三級加載；

（4）工況Ⅳ：支點截面剪力控制加載，不分級。

2.2 測點布置

測試橋梁單跨由12 片預(yù)制空心板組成，取半幅橋進(jìn)行測試。在跨中截面每片板兩邊各布置一個應(yīng)變片，在板中布置一個位移計；支點截面在每片板下布置一個位移計，并在邊板側(cè)面布置一個應(yīng)變花。全橋共布置18 個應(yīng)變片、14 個位移計。

3 理論分析及試驗結(jié)果

3.1 理論計算模型

本橋梁的設(shè)計荷載為汽—20，掛—100。行車道寬11.5m，雙向行駛，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）設(shè)計車道應(yīng)為3車道，故在理論分析時按3車道考慮，車道折減系數(shù)取0.78[6]。

本文采用Midas有限元軟件建立梁格模型，計算模型采用12組縱梁單元模擬12片梁，每片板劃分為13個單元，預(yù)制板上加10cm厚整體板單元模擬現(xiàn)澆橋面板，縱向同樣劃分為13個單元，橫向鉸縫位置處釋放梁端約束。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

3.2 橫向連接性能測試結(jié)果分析

該橋上部結(jié)構(gòu)由12 片空心板組成（測區(qū)邊板記為1#板，板編號依次增大），各片板之間采用鉸縫連接，故各片板橫向分布系數(shù)可按鉸接板法計算。此外，通過靜載試驗得到工況Ⅰ各級荷載下各片板跨中實測撓度值，可計算實測橫向分布系數(shù)?？缰薪孛鏅M向分布系數(shù)理論值和實測值對比如圖3所示。

圖3 跨中截面橫向分布系數(shù)對比

由圖3可知，實測值與計算值分布趨勢吻合較好，各級荷載下3#、4#、6#板受力比計算值偏大，而邊板1#、2#板受力偏??；荷載作用位置處板的撓度明顯，表明橫向聯(lián)系偏弱，各板之間傳力性能未能達(dá)到理論計算狀態(tài)，尤其2#、3#板之間橫向聯(lián)系較弱，數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動。

3.3 撓度測試結(jié)果分析

跨中測點在工況Ⅱ、Ⅲ下?lián)隙葘崪y值與計算值對比如表1所示。

表1 撓度實測值與理論值對比（單位：mm）

表1（續(xù)）

由表1可見，工況Ⅱ、Ⅲ各組荷載作用下，跨中截面各測點的撓度校驗系數(shù)大部分在0.5～0.8 之間，最大值為0.88，最小值為0.22。所有實測撓度均小于計算撓度，表明實橋的狀態(tài)優(yōu)于計算狀態(tài)。各片板剛度良好，能夠滿足正常使用要求。此外，各片板跨中截面撓度在工況Ⅱ、Ⅲ各組荷載作用下呈線性增長，且線性相關(guān)性較好，表明片板處于良好的彈性工作狀態(tài)。

3.4 殘余撓度分析

殘余撓度分析可以反映板的工作狀態(tài)，相對殘余變位越小，說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。工況Ⅲ荷載作用下跨中截面各測點殘余撓度相關(guān)計算如表2所示。

表2 跨中截面殘余撓度計算表

由表2可見，在工況荷載Ⅲ下跨中截面測點的殘余撓度均很小，相對殘余撓度均小于規(guī)定限值的20%，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011），判斷各工況下各片板處于彈性工作階段。

3.5 應(yīng)變測試結(jié)果分析

每片板下貼2個應(yīng)變片，取兩個應(yīng)變片的平均讀數(shù)作為該片板的應(yīng)變讀數(shù)。實測過程中發(fā)現(xiàn)3#、5#板下的應(yīng)變片失效，故此處僅分析1#、2#、4#、6#板的應(yīng)變。在工況Ⅱ、Ⅲ各級荷載下，實測彈性應(yīng)變及計算應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 試驗荷載作用下跨中測點實測應(yīng)變與計算應(yīng)變對比（με）

由表3可知，工況Ⅱ、Ⅲ下的各片板跨中截面各測點應(yīng)變校驗系數(shù)離散性很大，部分?jǐn)?shù)據(jù)超過1，尤其以2 號板和6 號板超限數(shù)值較多。應(yīng)變測試數(shù)據(jù)總體不是很理想，分析其原因主要是混凝土簡支梁橋應(yīng)變數(shù)值小，測試誤差影響大，而且實測應(yīng)變漂移較大。故在此處只能用作輔助判斷。

3.6 裂縫分析

由于板為預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板，小跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁往往按照A類構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，不允許出現(xiàn)橫向裂縫，但是該橋在檢測過程中發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，因此，對工況Ⅱ、Ⅲ下3#和6#跨中附近板底兩條具有代表性裂縫寬度進(jìn)行記錄，如表4所示。

表4 工況下跨中板底裂縫寬度值（單位：mm）

由表4 可知最大縫寬初始為0.12mm，最大縫寬0.2mm，已超過預(yù)應(yīng)力B類構(gòu)件的橫向裂縫寬度限值；且裂縫隨荷載增大有擴(kuò)張現(xiàn)象。由3#、6#板板底裂縫的出現(xiàn)擴(kuò)張，而且板底應(yīng)變校驗系數(shù)較大，判斷這兩片板的預(yù)加力效應(yīng)較理論值小，表明板的受力狀態(tài)較差。

4 結(jié)論

（1）實測荷載下橫向分布系數(shù)與計算結(jié)果趨勢吻合良好；但3、4、6#板荷載分布系數(shù)較計算值偏大，表明板間的實際橫向聯(lián)系稍顯薄弱，與計算狀態(tài)有差異，尤其2、3#板之間的橫向聯(lián)系較弱。

（2）跨中截面各測點的撓度校驗系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明各片板的剛度優(yōu)于計算狀態(tài)，跨中截面測點的殘余撓度均很小，相對殘余撓度均小于限值20%，表明各級工況下各片板處于彈性工作狀態(tài)。

（3）板的應(yīng)變校驗系數(shù)有部分超過1，表明混凝土的實際應(yīng)力較計算值偏大；3、6#板板底橫向裂縫隨加載而擴(kuò)張，表明3#、6#板的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)偏弱，導(dǎo)致混凝土實際應(yīng)力較大。

（4）基于以上荷載試驗結(jié)果，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011），判斷該橋在正常使用狀態(tài)下其承載能力滿足汽—20，掛—100級要求。

[1] 吳志勤. 橋梁檢測技術(shù)及其發(fā)展趨勢簡述[J]. 山西建筑，2007，33（13）：278-279.

[2] 楊懷英.基于靜載試驗與仿真分析的舊橋承載力評估[J].安徽建筑，2012（2）：186-193.

[3] 吳建軍，陳和，張啟偉，等.現(xiàn)場橋梁靜載試驗評定與分析[J].公路，2004（12）：62-65.

[4] 宋博琪，傅紅麗，馬秀君，等.橋梁的靜載與動載試驗[J].公路，2002（9）：26-29.

[5] 陳穎，艾軍，張麗芳，等.某五跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋靜載分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（2）：85-88.

[6] JTG B01—2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[8] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].