預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋安全性評價(jià)

張燕清

(三明市交通建設(shè)投資有限公司， 福建三明 365000)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋安全性評價(jià)

張燕清

(三明市交通建設(shè)投資有限公司， 福建三明 365000)

【摘要】文章以高速公路上一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元軟件建立理論模型，進(jìn)行荷載試驗(yàn)，將實(shí)測值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范對該橋進(jìn)行承載能力檢算，評價(jià)該橋工作性能是否符合要求，對其他同類橋梁的工作性能評價(jià)具有參考意義。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)；荷載試驗(yàn)；承載能力檢算；工作性能

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力大，整體性能強(qiáng)，抗彎抗扭剛度大，且外觀簡潔優(yōu)美，施工難度小，行車舒順，養(yǎng)護(hù)簡便，造價(jià)較低，噪音小，被越來越廣泛地應(yīng)用于長大跨徑、高墩橋梁上。其結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)是中間橋墩采用墩梁固結(jié)，下部結(jié)構(gòu)一般采用柔性橋墩，以減少因主梁的預(yù)應(yīng)力張拉、溫度變化、混凝土收縮、徐變等作用引起的變形受到橋墩約束后產(chǎn)生的次內(nèi)力。

1工程概況

某高速公路上的一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋，平面上位于半徑為1 100 m圓曲線內(nèi)，全橋共6聯(lián)，橋型布置為(3×30+4×30) m連續(xù)剛構(gòu)T梁+(50+90+50) m變截面連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁+(3×30+4×30+3×30) m連續(xù)剛構(gòu)T梁，全長707 m，橋面寬度為(0.5 m防撞欄+凈11.75 m+0.5 m防撞欄)。

本文的研究對象為該橋主橋(50+90+50) m變截面連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁(圖1)，主要施工工藝為掛籃懸澆?？刂茢嗝媪焊撸褐兄c(diǎn)處5.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處1.8 m，其高跨比分別為1∶15.79和1∶46.88；梁高變化段梁底曲線采用1.6次拋物線。箱梁橫斷面為單箱單室直腹板，箱梁頂板寬度為12.75 m，底寬為6.75 m，箱梁梁體兩翼緣板懸臂長度為3.0 m。箱梁底板水平，通過兩腹板的高差，實(shí)現(xiàn)頂板單向橫坡。通過平曲線內(nèi)外側(cè)箱梁長度差，實(shí)現(xiàn)平曲線。

圖1　某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋總體布置(單位：m)

主墩為6.75 m×4.6 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎(chǔ)為4根直徑2.5 m雙排鋼筋混凝土群樁；交界墩為6.5 m×2.8 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎(chǔ)為4根直徑2.0 m雙排鋼筋混凝土土群樁。主墩高度分別為79 m、66 m，屬于薄壁空心高墩，施工設(shè)備需采用塔吊。因山區(qū)風(fēng)力強(qiáng)大，高空作業(yè)施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

箱梁采用C55混凝土，橋面鋪裝C40防水混凝土，箱梁橋墩墩身C50，橋墩承臺(tái)C40，橋墩樁基C30。設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級。為了解橋跨結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)，評價(jià)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能，檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級要求，對該橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)和承載能力檢算分析。

2靜載試驗(yàn)

2.1靜載試驗(yàn)工況及檢驗(yàn)對象

根據(jù)該橋施工設(shè)計(jì)圖紙，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算分析，模型見圖2，理論彎矩包絡(luò)圖見圖3，理論剪力包絡(luò)圖見圖4。以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的該試驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載。然后根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，確定各跨試驗(yàn)工況，具體見表1。各跨主要測試截面見圖5。由表2可知，該橋的試驗(yàn)荷載效率η滿足文獻(xiàn)[3]基本荷載試驗(yàn)規(guī)定的要求0.80≤η≤1.00。

圖2　某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋模型

圖3　理論彎矩包絡(luò)圖

2.2測點(diǎn)布置

應(yīng)變測點(diǎn)布置：在各控制截面的箱梁底部以及Ⅳ-Ⅳ截面的腹板側(cè)面粘貼混凝土應(yīng)變片進(jìn)行測量，各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖6。

圖4　理論剪力包絡(luò)圖

圖5　試驗(yàn)測試截面示意(m)

工況加載方式測試截面測試內(nèi)容123左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第8跨最大正彎矩截面(Ⅰ-Ⅰ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)456左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第9跨跨中截面(Ⅱ-Ⅱ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)789左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第9跨1/4截面(Ⅲ-Ⅲ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)10中載8#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面(Ⅳ-Ⅳ截面)應(yīng)力(應(yīng)變)和中性軸

表2　靜力試驗(yàn)荷載效率

撓度測點(diǎn)布置：在各控制截面的橋面左右兩側(cè)護(hù)欄位置布設(shè)塔尺，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及與理論值的比較分析

在試驗(yàn)加載工況作用下，各控制截面的實(shí)測撓度及其與理論計(jì)算值的比較如表3所示，實(shí)測應(yīng)變及其與理論計(jì)算值的比較如表4所示。可以看出，該橋第8跨最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.77～0.81，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.76～0.80；第9跨跨中截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.77，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)

(a)Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面

(b)Ⅳ-Ⅳ截面圖6　各控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置(cm)

mm

表4　各控制截面應(yīng)變分析表　μ

為0.77～0.84；第9跨1/4截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.79～0.82，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.80～0.88；各截面撓度校驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處于文獻(xiàn)[3]規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)；各截面相對殘余撓度和應(yīng)變均小于文獻(xiàn)[3]規(guī)定的20%。

2.4支點(diǎn)截面中性軸分析

在試驗(yàn)加載工況10作用下，Ⅳ-Ⅳ截面測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變變化情況及其與理論計(jì)算值的比較如圖7所示。

圖7　Ⅳ-Ⅳ截面應(yīng)變測點(diǎn)沿梁高變化情況

分析各測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)可以得出，實(shí)測的箱梁截面中性軸位置距梁底高度為3.86 m，與理論計(jì)算得到的截面中性軸位置(3.82 m)基本相同。從圖7可以看出，實(shí)測應(yīng)變沿梁高基本呈線性變化，表明箱梁處于彈性受力狀態(tài)。

3自振特性試驗(yàn)

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，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng)，測試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

3.1自振特性結(jié)果及分析

在各跨8分點(diǎn)位置橋面上放置脈動(dòng)測點(diǎn)傳感器，實(shí)測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的豎向1階和2階自振頻率及振型。該橋?qū)崪y豎向1階和2階自振頻率分別為1.72 Hz和2.91 Hz，大于理論計(jì)算值1.56 Hz和2.69 Hz，實(shí)測振型與理論計(jì)算振型基本吻合。自振特性試驗(yàn)表明該橋的實(shí)測整體剛度比理論計(jì)算值大，處于較理想的狀態(tài)。實(shí)測與理論計(jì)算的豎向1階和2階自振頻率及振型對比圖見圖8。

4箱梁承載能力檢算分析

對該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力檢算，結(jié)合上述荷載試驗(yàn)結(jié)果對橋跨結(jié)構(gòu)的工作性能進(jìn)行評定。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選?、?Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ截面作為檢算截面。檢算內(nèi)容包括橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下相應(yīng)的作用效應(yīng)組合及各組合情況下的正截面抗彎和斜截面抗剪承載力。

4.1檢算資料

橋面寬度：凈11.75 m行車道+2×0.50 m護(hù)欄；

車道數(shù)：3車道，車道折減系數(shù)取0.78；

混凝土強(qiáng)度等級為C55，彈性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=24.4 MPa；

二期恒載：橋面鋪裝為8 cm厚C40防水混凝土+防水層+7 cm厚瀝青混凝土層，密度重按24.5 kN/m3計(jì)；

設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級；汽車制動(dòng)力及沖擊力：按橋規(guī)取用；

(a)實(shí)測豎向1階(f1=1.72 Hz)

(b)計(jì)算豎向1階(f1=1.56 Hz)

(d)計(jì)算豎向1階(f1=2.69 Hz)圖8　實(shí)測與計(jì)算豎向1階和2階自振頻率及振型圖對比

(c)實(shí)測豎向1階(f2=2.91 Hz)

溫升：+25℃；溫降：-10℃；

混凝土收縮徐變：按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。

4.2檢算荷載組合及荷載效應(yīng)分析

承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)采用基本組合，其表達(dá)式為：

各參數(shù)詳見文獻(xiàn)[1]。其中溫度效應(yīng)分為溫升效應(yīng)和溫降效應(yīng)，以使組合效應(yīng)達(dá)到最大值為準(zhǔn)。

4.3檢算公式

由文獻(xiàn)[4]可知，配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)下的檢算公式為：

各參數(shù)詳見文獻(xiàn)[4]。其中γ0=1.0， ξe=0， ξc=ξs=1.0；由靜載試驗(yàn)結(jié)果可知，箱梁各控制截面的撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.88，根據(jù)規(guī)定，當(dāng)進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，取荷載試驗(yàn)后的檢算系數(shù)Z2代替上式Z1進(jìn)行檢算，因此根據(jù)文獻(xiàn)[4]查表得承載能力檢算系數(shù)Z2=1.01。

4.4正截面抗彎承載力檢算

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算結(jié)果如圖9所示，Ⅱ-Ⅱ截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見表5?？芍?，該橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下滿足正截面抗彎要求。

圖9　承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)(基本組合)

kN·m

4.5斜截面抗剪承載力檢算

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)受剪荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算結(jié)果如圖10所示，Ⅳ-Ⅳ截面抗剪承載能力檢算結(jié)果見表6?？芍?，該橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下滿足斜截面抗剪要求。

圖10　承載能力極限狀態(tài)受剪荷載效應(yīng)(基本組合)

5結(jié)論

(1)該橋各控制截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.82，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.76～0.88；各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均處于規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)；各截面相對殘余撓度和應(yīng)變均小于規(guī)定的20%。

表6?、?Ⅳ截面抗剪承載能力檢算　kN

(2)實(shí)測的箱梁支點(diǎn)控制截面中性軸位置與理論計(jì)算得到的中性軸位置基本相同。箱梁處于彈性受力狀態(tài)。

(3)該橋的實(shí)測整體剛度比理論計(jì)算值大，處于較理想的狀態(tài)。

(4)橋跨結(jié)構(gòu)符合承載能力極限狀態(tài)下正截面抗彎和斜截面抗剪承載能力要求。

綜上所述，該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋的整體工作性能良好，能夠滿足公路I級設(shè)計(jì)荷載等級使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]鄭為明.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋橫向分析[J].福建建筑，2011(7).

[3]YC4-4/1978大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[S].1982.

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

[5]JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[作者簡介]張燕清(1964～)，男，本科，高級工程師，從事道路工程建設(shè)與管理工作。

【中圖分類號】U448.23+1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-03-01