積石峽黃河大橋靜載試驗研究

胡　健,軒俊杰

（1．江蘇現(xiàn)代路橋有限責任公司，江蘇 南京 210049；2.西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730124）

積石峽黃河大橋靜載試驗研究

胡健1,軒俊杰2

（1．江蘇現(xiàn)代路橋有限責任公司，江蘇 南京 210049；2.西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730124）

通過對積石峽黃河大橋進行靜力荷載試驗，掌握了橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的實際工作狀態(tài)和承載能力。通過對橋梁控制截面的應(yīng)力理論值與實測值進行對比分析，并運用ANSYS軟件進行了模擬分析，借此判斷出了橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，并對橋梁的運營質(zhì)量進行了初步評估。

橋梁檢測；靜載試驗；荷載工況；有限元分析

0　引言

隨著時代的進步和施工技術(shù)的發(fā)展，一些新橋型、新材料和新工藝在橋梁施工中逐漸得到廣泛應(yīng)用。從發(fā)達國家橋梁的使用情況來看，混凝土橋梁在使用20～30 a后，就會出現(xiàn)安全性與耐久性方面的問題，橋梁的相關(guān)性能亦會退化、衰減，從而導(dǎo)致承載力不夠、適用性不足等問題。能否找到某種科學、適用、有效的方法對橋梁結(jié)構(gòu)進行合理的試驗檢測和診斷評定，并對橋梁進行預(yù)防性養(yǎng)護、加固，已成為業(yè)界的重要課題。

目前，業(yè)界最有效、最成熟的檢測方法是動靜載試驗。靜載試驗可獲得控制截面處的應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫寬度，判斷橋梁的承載能力及工作性能；動載試驗則可獲得橋梁的固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數(shù)行車響應(yīng)等參數(shù)，并以此判定橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車性能。限于篇幅，本文以靜載試驗為例，合理地布置測點，擬定工況，對應(yīng)力應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并運用ANSYS軟件進行了受力模擬，判斷出了橋梁的安全承載能力和運營狀態(tài)。

1　工程概況

積石峽黃河大橋位于青海省積石峽水電站大壩下游的黃河之上，其左岸與水電站的對外公路連接，右岸則與沿河公路相接，是壩區(qū)內(nèi)交通運輸?shù)闹匾ǖ?。積石峽黃河大橋主橋上部為36 m+ 63 m+28 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面寬度14 m，設(shè)計荷載為汽車-80級和掛車-300。橫截面為單箱單室箱形截面，根部梁高4.0 m，跨中梁高為2 m，從距墩中心3 m處到跨中按二次拋物線變化。箱梁頂板寬14 m，底板寬7.0 m，翼緣板懸臂長為3.5 m，全橋僅零號塊及邊跨端部設(shè)置橫隔板。

2　靜載試驗內(nèi)容、方案及工況

2.1試驗內(nèi)容

（1）主梁組合應(yīng)力；（2）主梁豎向撓度；（3）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形及扭矩效應(yīng)。

2.2測點布置

（1）應(yīng)變計布置

對于大跨度三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，通過對主要承重結(jié)構(gòu)細致的理論分析和計算，確定各測試截面和測點布置。

在橋面埋設(shè)數(shù)據(jù)采集盒，將應(yīng)變計的導(dǎo)線集中引至數(shù)據(jù)采集盒。兩合攏段各布設(shè)一個數(shù)據(jù)采集盒，具體布置在翼緣邊方便測量處。兩墩頂位置因有兩個控制截面，所以在墩中心位置兩側(cè)翼緣布置兩個線盒，導(dǎo)線采用就近布設(shè)原則，如圖1所示。

（2）應(yīng)變片布置方案[1]

應(yīng)變片的布置方案如圖2所示，沿著箱梁橫斷面共布設(shè)了12個測點。

（3）主梁撓度和變形測點的布設(shè)

主梁撓度和變形測點共布設(shè)了7處，沿著橋梁縱向布置，如圖3所示。

圖1　橋梁測點布置立面圖

圖2　跨中截面應(yīng)變片布置圖

圖3　變形測點布置圖

主梁撓度測試斷面選擇中跨1/2斷面、中跨左1/4斷面、中跨右1/4斷面、左邊跨1/2斷面、右邊跨1/2斷面和兩個墩頂共7個斷面。每個斷面在兩個翼緣邊均設(shè)置立尺點以便分析結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形及扭矩效應(yīng)[2]。

2.3工況及加載效率

該橋靜力荷載試驗共有11種工況，各工況的加載效率值η見表1。

由表1可以看出，各工況的等效加載效率均分布在0.8≤η<1.05范圍內(nèi)，完全符合《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規(guī)定[3]。

3　檢測結(jié)果及分析

3.1試驗檢測數(shù)據(jù)分析

（1）撓度檢測結(jié)果

表1　加載效率η值表

撓度檢測結(jié)果見表2。

（2）應(yīng)力應(yīng)變檢測結(jié)果

11種工況下的應(yīng)力應(yīng)變檢測的結(jié)果見表3。

（3）實測撓度值和理論撓度值對比曲線

將邊跨控制截面和中跨控制截面各自在分級荷載下的實測撓度值和理論撓度值繪出對比曲線散點圖（見圖4）。

由實測撓度值和理論撓度值曲線散點圖可知，二者的擬合度較高，且實測值小于理論值，該橋梁在靜載作用下發(fā)生的撓度在允許的范圍之內(nèi)，橋梁的運營狀態(tài)比較安全。

表2　撓度檢測結(jié)果統(tǒng)計表

表3　11種工況下的應(yīng)力應(yīng)變檢測結(jié)果表

圖4　中跨控制截面分級荷載撓度對比曲線圖

（4）數(shù)據(jù)整理分析

整理統(tǒng)計所有檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊跨控制截面和中跨控制截面在分級加載時撓度校驗系數(shù)大部分在0.4～0.8之間；實測最大撓度0.013 3 m，理論最大撓度0.019 m，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)為0.007 8 m；底板應(yīng)力控制截面分級加載校驗系數(shù)在0.7～1.0之間，達到設(shè)計滿載時最小值為1.13 MPa，理論計算值為4.74 MPa（成橋狀態(tài)，未考慮溫度影響）。實測頂板壓應(yīng)力在5.87～8.0 MPa之間。橋梁整體的工作狀態(tài)屬安全范疇之內(nèi)。

3.2有限元計算與分析

（1）模型與計算參數(shù)

計算程序采用大型結(jié)構(gòu)分析有限元程序ANSYS。該連續(xù)鋼構(gòu)橋采用三維空間模型。全橋模型一共210 338個單元，單元類型選用SOLID45，主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁采用C50混凝土，其彈性模量EX=3.5E10，泊松比PRXY=0.167，密度Density= 2 500 kg/m3。橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用等效荷載法來模擬，模型中在箱梁頂板有橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的兩端節(jié)點上施加壓應(yīng)力f=366.8 kN，全橋模型如圖5所示。

圖5　橋梁ANSYS建模圖

（2）跨中箱梁的橫向應(yīng)力云圖（考慮掛車-300荷載）（見圖6）

圖6　跨中箱梁頂板橫截面處的橫向應(yīng)力云圖

通過跨中箱梁橫向應(yīng)力圖可以看出：在加掛車荷載的地方（即圖中深色區(qū)域），出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，其值為-3.88 MPa；由于頂板橫向張拉力，從而翼緣板下部出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值為0.4 MPa，其值滿足規(guī)范要求[5]。

（3）跨中箱梁的橫向應(yīng)力云圖（考慮人群荷載）（見圖7）

圖7　跨中箱梁橫向應(yīng)力云圖

通過跨中箱梁橫向應(yīng)力圖可以看出：在施加人群荷載的部位，壓應(yīng)力值為-3.71 MPa；腹板上方的橋面板壓應(yīng)力值為-1.17 MPa；由于頂板橫向張拉力，從而翼緣板下部出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值滿足規(guī)范要求[5]。

通過ANSYS軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)：若只考慮某一種內(nèi)力影響的加載方式，是不能如實地反映出橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力的，如具備條件可分別進行抗彎、抗拉、抗剪和抗扭試驗，并應(yīng)考慮三種效應(yīng)的加載組合方式，這樣可全面、如實地評估橋梁的工作性能[6]。

4　結(jié)　論

（1）邊跨控制截面和中跨控制截面在分級加載時撓度校驗系數(shù)大部在0.4～0.8之間，小于規(guī)范規(guī)定的1.05上限。實測最大撓度0.013 3 m，理論最大撓度0.019 m，滿足規(guī)范要求。偏載工況時扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，為0.007 8 m，滿足要求。故橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

（2）底板應(yīng)力控制截面分級加載校驗系數(shù)在0.7～1.0之間，均在規(guī)范規(guī)定的1.05上限之內(nèi)，滿足正常要求范圍。實測頂板壓應(yīng)力在5.87～8.0 MPa之間，變化較底板壓應(yīng)力穩(wěn)定，在滿載時有5.87 MPa較大的應(yīng)力儲備，故橋梁滿足設(shè)計強度要求。

（3）達到設(shè)計滿載時底板壓應(yīng)力儲備最小值為1.13 MPa，故目前可以達到滿載通車要求，但考慮到溫度變化和預(yù)應(yīng)力損失等因素的影響，在通過大型特種車輛時應(yīng)加強現(xiàn)場監(jiān)控。

（4）中跨跨中達到滿載荷載時底板壓應(yīng)力最小值為1.13 MPa，理論計算值為4.74 MPa?？紤]到一般預(yù)應(yīng)力損失在1～3 a內(nèi)損失較大，尤其第一年比較劇烈，三年后逐步緩慢，故建議在第一年末和第三年末注意再進行檢測。

[1]施尚偉,向中.橋梁結(jié)構(gòu)試驗檢測技術(shù)[M].重慶:重慶大學出版社,2012;

[2]朱鄭,馮劍平.李家巷大橋靜載試驗及剛混結(jié)合段受力分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2012，8(4):37.

[3]交通部公路科學研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[4]GB 50081-2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

[5]JTJ 021-89,公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范[S].

[6]葛新民，何先明,等.大跨徑混凝土橋梁成橋靜載試驗研究[J].公路工程,2008,2(1):133.

U446

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1009-7716（2016）03-0068-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.020

2015-12-17

胡健(1981-)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，從事橋梁、隧道、公路工程建設(shè)工作。