某立交橋荷載試驗研究

張西平，黎 晨

(1.武漢理工大學交通學院，湖北武漢430070;2.武昌工學院土木學院，湖北 武漢430065)

黃石市李家坊立交橋位于桂林南路(引水港至隧道)與沿湖路(陳家灣至下陸)交叉處，呈正交兩個方向，其一為桂林南路(引水港至隧道)方向，另一為沿湖路(陳家灣至下陸)方向。立交橋交叉部分結構采用“十”字形連續(xù)箱梁，其中桂林南路方向橋跨布置為(7×20 m預制預應力大孔板)+(5×20+25 m預制預應力大孔板+20 m現(xiàn)澆預應力箱梁)+(18.5+23.5+18.5+18.5 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土“十”字形連續(xù)箱梁)+(6×20 m預制預應力大孔板)+(16+4×20+2×16 m預制預應力大孔板);沿湖路方向跨徑布置為(6×20 m預制預應力大孔板)+(6×20 m預制預應力大孔板)+(4×18.5 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土“十”字形連續(xù)箱梁)+(6×20 m預制預應力大孔板)+(7×20 m預制預應力大孔板)。

李家坊立交橋橋梁結構形式多樣，受力狀態(tài)復雜。從2004年建成通車至今已運營9年，混凝土箱梁多處破損，且有細小裂紋，并進行過修補。為了掌握主要受力構件承載能力，依據相關規(guī)范規(guī)程要求，對李家坊立交橋橋梁結構進行荷載試驗。

1 荷載試驗概況

1.1 荷載試驗的目的

(1)了解結構在靜力荷載和動力荷載分別作用下的實際工作狀態(tài)，綜合分析判斷橋梁結構是否滿足設計荷載及其使用性能;

(2)驗證設計理論、計算方法和設計中的各種假設的正確性與合理性;

(3)通過荷載試驗，建立橋梁結構“指紋”檔案，針對橋梁現(xiàn)狀，提出相應的處理建議及意見。

1.2 荷載試驗內容

(1)橋梁最不利正彎矩效應(對稱、偏心加載);

(2)橋梁最不利負彎矩效應(對稱加載);

(3)外觀、裂縫和溫度觀測。

1.3 荷載試驗加載原則

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》JTG/T J21－2011，荷載試驗采用等效荷載加載，將施工階段結構的實際荷載作用效應等效成荷載試驗時試驗車輛作用在結構上的效應。各試驗工況下所需加載車輛的數(shù)量、車重將根據設計標準活荷載產生的最不利效應值按下式所定原則等效換算而得:

式中:η為靜力試驗荷載效率系數(shù);Sstat為試驗荷載作用下，檢測部位變形及內力的計算值;S為設計標準活荷載作用下，檢測部位變形及內力的計算值;μ為設計取用的沖擊系數(shù)，取值均為通過動力分析得到基頻并按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60－2004)計算所得。

1.4 加載模型

利用橋梁結構分析通用軟件Midas/Civil 2010，對李家坊立交橋以及引橋分別建立有限元分析模型。立交橋總共5 372個節(jié)點，5 801個單元，引橋總共50個節(jié)點，60個單元，其有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 李家坊立交橋有限元分析模型

圖2 李家坊立交橋引橋有限元分析模型

1.5 試驗荷載

根據不同的加載工況選用不同數(shù)量的加載車輛，具體參數(shù)見表1。鑒于篇幅限制僅列出1號加載車軸距及輪距示意圖，具體如圖3所示。

表1 加載車輛軸重參數(shù)表

1.6 試驗控制截面

按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21－2011)，依據對連續(xù)箱梁橋荷載試驗的要求，本次試驗選取的控制截面為“十”字形連續(xù)箱梁 A、C、D 截面(最大正彎矩)、距 15#墩 1.5 m處B截面(最大負彎矩)以及引橋跨中處G、H截面(最大正彎矩)，分別如圖4和圖5所示。

圖3 3號加載汽車軸重、軸距及平面圖

1.7 試驗工況

靜載試驗時，通過結構計算得出的各控制截面的內力影響線，以實際加載車輛按最不利荷載位置布載，獲得較大荷載效率。根據加載車輛的實際技術指標，選定了8個加載載位作為此次靜載試驗工況，各工況試驗荷載效率系數(shù)見表2。

2 荷載試驗結果

2.1 線形檢測

分別在主橋14#～15#、15#～16#、Y14#～Y15#梁1/4L、1/2L、3/4L 對稱布置6 個撓度測點，Y14#～15#、Y14#～17#跨中布置1個撓度測點，總共布置20個撓度測點;在引橋Y17#～Y18#、25#～26#梁1/4L、1/2L、3/4L對稱布置6個撓度測點，總共布置12個撓度測點，詳細信息如圖6和圖7所示?，F(xiàn)場靜載加載如圖8所示。

圖4 十字連續(xù)箱梁控制截面示意圖

圖5 預制預應力大孔板(引橋)控制截面示意圖

表2 立交橋荷載試驗工況效率系數(shù)

圖6 “十”交叉線形撓度布置圖

圖7 引橋線形撓度測點圖

由于篇幅限制，僅將控制截面A－工況1和控制截面G－工況9的數(shù)據列入表3和表4。

2.2 應變檢測

分別對控制截面A、C、D(最大正彎矩)、距15#墩1.5 m處B(最大負彎矩)和引橋跨中處G、H(最大正彎矩)應變進行測試。鑒于篇幅限制，僅列出控制截面A和G應變測點布置。A－A截面位置在14#～15#跨的跨中截面上，試驗中在梁底面布設5個應變測試點;G－G截面位置在大孔板Y17#～Y18#跨的跨中截面上，試驗中在每片箱梁底板布設共9個應變測試點。其應變測點布置分別如圖9和圖10所示。

由于篇幅限制，僅將控制截面A－工況1和控制截面G－工況的數(shù)據列入表5和表6。

2.3 檢測結論

根據各工況車輛荷載下應變實測值及應變校驗系數(shù)可知:

圖8 靜載試驗加載現(xiàn)場

表3 車輛荷載下?lián)隙葘崪y值及校驗系數(shù)

表4 車輛荷載下?lián)隙葘崪y值及校驗系數(shù)

圖9 A－A截面測點布置圖

圖10 G－G截面測點布置圖

表5 車輛荷載下應變實測值及校驗系數(shù)

表6 車輛荷載下應變實測值及校驗系數(shù)

(1)李家坊立交橋主橋各測點應變校驗系數(shù)η在0.60～0.89之間，均小于1，代表實測結果已接近理論計算結果，且殘余應變較小;

(2)李家坊立交橋引橋距汽車作用較遠梁段的應變校驗系數(shù)η在0.61～0.80之間，而汽車作用較近梁段應變校驗系數(shù)η在1.05～1.10之間，均大于1.0，表明引橋橫向聯(lián)系薄弱，整體性能差，不能很好地起到分散汽車荷載的功能，結構承載能力不滿足設計要求。

依據文獻［4］，李家坊立交橋主橋結構承載能力滿足設計要求，引橋結構應變校驗系數(shù)部分大于1，承載能力不滿足設計要求。

3 結論

李家坊立交橋主橋實測撓度小于并接近理論計算值，卸載后殘余變形較小，其實測應力小于并接近理論計算值，卸載后殘余變形較小。因此，李家坊立交橋主橋承載能力滿足設計要求。

李家坊立交橋引橋實測撓度部分大于理論計算值，卸載后殘余變形較大，實測應力部分大于理論計算值，卸載后殘余應變較大。因此，李家坊立交橋引橋承載能力不滿足設計要求，需要采取相應加固措施保證引橋行車安全。

［1］ 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范:JTG D62－2004［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 公路橋涵設計通用規(guī)范:JTG D60－2004［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］ 公路工程質量檢驗評定標準:JTG F80/1－2004［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程:JTG/T J21－2011［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］ 宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［6］ 楊文淵.橋梁維修與加固［M］.北京:人民交通出版社，1994.