變截面波形鋼腹板組合箱梁橋荷載試驗分析

田 壽

(河北遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050035)

變截面波形鋼腹板組合箱梁橋荷載試驗分析

田 壽

(河北遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050035)

以南水北調(diào)大橋工程為例，通過建立該橋的結(jié)構(gòu)有限元計算模型，對該橋荷載試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：該橋強(qiáng)度、剛度和動力特性滿足規(guī)范要求，設(shè)計、施工安全可靠，相關(guān)數(shù)據(jù)可為同類橋梁的建設(shè)提供參考。

波形鋼腹板，組合箱梁，荷載試驗

0 引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，以其優(yōu)越的受力性能、良好的經(jīng)濟(jì)效益受到廣泛關(guān)注，與普通的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比，具有以下優(yōu)點：1)波形鋼腹板代替混凝土腹板，減輕了上部結(jié)構(gòu)自重，提高了抗震性能。2)波形鋼腹板的縱向剛度較小，幾乎不抵抗軸向力，縱向預(yù)應(yīng)力可以集中加載于上、下翼緣板，從而有效地提高預(yù)應(yīng)力效率。3)波形鋼腹板用于抗剪，混凝土翼緣用來抗彎，能充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)勢性能。4)波形鋼腹板可以工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場拼裝，加快施工進(jìn)程，縮短工期。5)波形鋼腹板可以避免腹板開裂，提高耐久性[1，2]。

本文通過介紹河北某高速公路南水北調(diào)大橋?qū)崢蚪还ず奢d試驗，評價該橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)承載能力是否符合設(shè)計要求，為以后波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概述

本橋位于河北某高速公路上，全長268.5 m，橋梁跨越南水北調(diào)主渠，橋軸線與南水北調(diào)渠呈90°。上部結(jié)構(gòu)為(70+120+70)m的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用矩形實體墩，橋臺采用肋板式橋臺，墩臺基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。橋梁平面位于直線上，縱斷面位于R=23 000 m豎曲線上。橋梁寬度為2×(0.5 m防撞護(hù)欄+13.13 m行車道+0.382 m防撞護(hù)欄)+0.476 m中央分隔帶=28.5 m。設(shè)計荷載等級公路—Ⅰ級。橋梁分為左右幅，兩幅箱梁關(guān)于橋梁中心線對稱。單幅橋主梁采用單箱單室截面，箱梁頂板寬度為14.012 m，箱梁底板寬度為7.5 m。梁高和底板厚度均以二次拋物線的形式由跨中向根部變化，跨中梁高3.5 m，根部梁高7.5 m，箱梁翼緣懸臂3.256 m。邊跨設(shè)置3道橫隔板，中跨設(shè)置4道橫隔板。頂、底板采用C55混凝土，波形鋼腹板及抗剪連接構(gòu)件均采用Q345D鋼材。箱梁采用懸臂澆筑的施工方法。

該橋的橋型布置圖如圖1所示，橫斷面如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

應(yīng)用MIDAS CIVIL V8.2.1軟件建立該橋結(jié)構(gòu)模型，單幅主梁采用空間梁單元進(jìn)行模擬，墩頂截面采用混凝土截面，波形鋼腹板截面采用軟件自帶波形鋼腹板截面。支承條件按一般約束邊界考慮。全橋共劃分為75個節(jié)點，74個單元。結(jié)構(gòu)模型見圖3。

計算中認(rèn)為鋼腹板與混凝土頂、底板能共同工作且不發(fā)生相對滑移或剪切破壞；忽略波形鋼腹板對結(jié)構(gòu)抗彎的貢獻(xiàn)，由混凝土頂、底板承受全部彎矩；波形鋼腹板承擔(dān)所有剪力，其應(yīng)力狀態(tài)一般視為純剪且沿腹板高度方向等值分布[2]；波形鋼腹板箱梁彎矩和剪力不發(fā)生相互作用；不考慮橋面鋪裝參與受力。

3 靜荷載試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗方案

按照連續(xù)梁橋的主要加載測試項目，該橋主要內(nèi)力和位移測試控制斷面為第1跨跨中斷面、第2跨跨中斷面和1號墩頂斷面；6個主要測試工況為：第1跨跨中正彎矩對稱工況和偏心工況；第2跨跨中正彎矩對稱工況和偏心工況；1號墩支點截面負(fù)彎矩對稱工況和偏心工況。

本次試驗為交工荷載試驗，采用基本荷載加載[3]，靜力荷載試驗效率取0.95～1.05之間[4]，每一工況在影響線上縱向布置加載車輛，根據(jù)計算結(jié)果，采用8輛三軸載重汽車加載，車輛總重平均為525 kN，前中軸距3.5 m，中后軸距1.4 m，后輪橫向輪距1.8 m。各工況影響線見圖4，試驗荷載效率見表1。

表1 試驗荷載效率

3.2 加載位置

第1跨和第2跨跨中正彎矩工況采用4輛車進(jìn)行加載，1號墩墩頂負(fù)彎矩工況采用8輛車進(jìn)行加載。各工況加載位置如圖5,圖6所示。正式試驗前進(jìn)行預(yù)加載。

3.3 測點布置

1)應(yīng)變測點。主要應(yīng)變測試斷面為第1跨、第2跨跨中斷面和1號墩頂斷面，各測試斷面測點布置如圖7所示。應(yīng)變采用數(shù)碼靜態(tài)應(yīng)變傳感器測量。

2)撓度測點。主要撓度測試斷面為第1跨和第2跨的L/4，L/2，3L/4斷面，第3跨的跨中斷面，每個斷面兩側(cè)腹板下方各布置一個測點，各墩(臺)位置布置沉降測點。如圖8所示，撓度采用百分表配合懸掛鋼絲法測量。

3.4 靜載試驗結(jié)果

因試驗數(shù)據(jù)較多，限于篇幅僅將滿載狀態(tài)下第1跨、第2跨跨中截面梁底應(yīng)力和撓度數(shù)據(jù)列出，見表2～表5。

通過對全橋各控制斷面的檢測數(shù)據(jù)分析整理，各測點應(yīng)力校驗系數(shù)在0.55～0.67之間，撓度校驗系數(shù)在0.62～0.73之間。橋梁各控制斷面的強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計要求，并有一定的安全儲備。各測點殘余變形滿足要求，箱梁在試驗荷載下控制斷面處于彈性工作狀態(tài)。

表2 第1跨跨中加載第1跨跨中梁底測點應(yīng)力值

工況測點實測值/MPa計算值/MPa校驗系數(shù)第1跨對稱11．312．020．6521．242．020．61第1跨偏心11．372．130．6421．131．920．59

表3 第2跨跨中加載第2跨跨中梁底測點應(yīng)力值

表4 第1跨跨中加載第1跨跨中測點撓度值

表5 第2跨跨中加載第2跨跨中測點撓度值

4 動荷載試驗及結(jié)果分析

4.1 試驗一：行車試驗測定動態(tài)響應(yīng)

在橋面上無任何障礙的情況下，采用1輛試驗車分別以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h的不同車速勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，記錄試驗車輛在試驗孔上行駛時測點的撓度時程曲線，根據(jù)所記錄的曲線計算和分析橋梁在試驗荷載作用下的沖擊系數(shù)。測點布置在第1跨跨中位置，測量儀器采用BJQN-5B型光電撓度儀。檢測結(jié)果見表6，典型時程曲線見圖9。

表6 第1跨跨中在不同車速下的沖擊系數(shù)

根據(jù)測試結(jié)果，橋梁實測沖擊系數(shù)在0.003～0.016之間，小于理論沖擊系數(shù)0.05，說明該橋的行車性能滿足要求。

4.2 試驗二：脈動試驗測定振動特性

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)。儀器采用INV306動態(tài)測試和信號分析系統(tǒng)。

經(jīng)測定，橋梁實測1階頻率為1.15 Hz，大于理論值1.09 Hz，表明結(jié)構(gòu)動力性能滿足要求。

5 結(jié)語

本次荷載試驗效率滿足規(guī)范要求[4]，能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載下的受力性能；在試驗荷載作用下，各工況控制斷面的應(yīng)力和撓度校驗系數(shù)均小于1，橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計要求；沖擊系數(shù)小于理論計算值，實測基頻在正常范圍內(nèi)，且大于理論計算值，說明橋梁行車性能和結(jié)構(gòu)動力性能滿足要求。

[1] 陳寶春，黃卿維.波形鋼腹板PC組合箱梁應(yīng)用綜述[J].公路，2005(7):45-53.

[2] 宋建永,王 彤,張樹仁.波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋[J].東北公路,2002,25(1)：38-40.

[3] YC 4—4/1978,大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S].

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

Analysis on load test of variable cross-section corrugated steel webs composite box girder bridge

Tian Shou

(HebeiYuanzhouEngineeringConsultingLimitedCompany,Shijiazhuang050035,China)

Taking the south to north water diversion bridge project as an example, through the establishment of structure finite element model of the bridge analyzed the load test data, the results showed that: the strength, rigidity and dynamic characteristics of bridge all met the requirements specification, the design, construction safe and reliable, the relevant data could provide reference for similar bridges construction.

corrugated steel webs, composite box girder, load test

2015-03-23

田 壽(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)16-0191-03

U441.2

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