澤城西安水電站（二期）南山橋單梁靜載試驗(yàn)分析

石 海

（山西澤城西安水電有限公司，山西 太原 030002）

澤城西安水電站（二期）工程南山橋位于左權(quán)縣清漳河上小南山村附近大南溝溝口。南山大橋公路里程樁號(hào)為 5+253.506—5+433.506，跨徑布置為9×20 m，橋頭搭板尺寸為6 m×2 m，橋面凈寬8.24 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板簡(jiǎn)支梁，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用5根直徑15.2 mm的鋼絞線，下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩（臺(tái)）灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：汽-20級(jí)，掛-100級(jí)。

1 單梁靜載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c手段

本次試驗(yàn)的目的，是了解主梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，綜合分析判斷主梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，檢驗(yàn)主梁的承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。主要是通過(guò)在主梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計(jì)外荷載或使用荷載基本相當(dāng)?shù)耐廨d，采用分級(jí)加載的方法，利用檢測(cè)儀器測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的控制部位與控制截面，在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下的撓度、應(yīng)力等特性的變化，將測(cè)試結(jié)果與結(jié)構(gòu)按相應(yīng)荷載作用下的計(jì)算值與有關(guān)規(guī)范規(guī)定值作比較，從而評(píng)定主梁結(jié)構(gòu)的承載能力，進(jìn)而分析試驗(yàn)主梁是否達(dá)到設(shè)計(jì)的安全度和可靠度。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和內(nèi)業(yè)的分析計(jì)算主要有以下幾個(gè)方面：依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，確定試驗(yàn)加載方式和加載值；分析主梁結(jié)構(gòu)控制截面在靜載作用下的應(yīng)變和撓度；實(shí)測(cè)主梁控制截面在靜載作用下的應(yīng)變和撓度；通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，確定試驗(yàn)主梁的承載力是否滿足要求；觀測(cè)主梁在試驗(yàn)荷載下有無(wú)裂縫及裂縫是否開展。

1.3 試驗(yàn)依據(jù)

中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89）、《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》（JTJ 023—85）、中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）、《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）、《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）、《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011）、澤城西安水電站（二期）工程南山橋橋梁設(shè)計(jì)圖及相關(guān)資料。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)荷載的確定

單梁試驗(yàn)加載應(yīng)在某一范圍內(nèi)試驗(yàn)才能有效。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015），試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)ηq（0.85≤ηq≤1.05）按以下公式計(jì)算：

式中：Ss——靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；

S——設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值（考慮多車道折減）；

μ——按規(guī)范取用的沖擊系η數(shù)值，μ=0.176 7lnf-0.015 7（結(jié)構(gòu)的基頻f）。

2.2 內(nèi)力分析與計(jì)算

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，對(duì)該橋的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，使用橋梁電算專用程序分別作出橋梁結(jié)構(gòu)（即成橋后的連續(xù)梁）在二期恒載和設(shè)計(jì)活載（公路—I級(jí)）作用下的彎矩和位移包絡(luò)圖，根據(jù)橋梁的橫向分布系數(shù)，確定主梁在二期恒載和活載作用下最不利正彎矩和最大位移的具體位置，此最不利位置為跨中截面。分別計(jì)算二期恒載和汽車活載（考慮沖擊效應(yīng)）在試驗(yàn)梁跨中所產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)值，將它們的組合值作為設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)值，即為試驗(yàn)梁的跨中加載效應(yīng)值。根據(jù)工地現(xiàn)有條件，采用在試驗(yàn)梁兩點(diǎn)加載的方式進(jìn)行加載試驗(yàn)（見圖1），使得它們產(chǎn)生的彎矩值達(dá)到規(guī)范要求。

圖1 加載方式（單位：cm）

試驗(yàn)梁實(shí)際跨中加載的集中力值、相應(yīng)的彎矩值和設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)對(duì)比值見表1。

表1 試驗(yàn)荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)對(duì)比表

由上表可知，試驗(yàn)梁的荷載效率值完全符合規(guī)范中的規(guī)定，從而保證了本次試驗(yàn)的有效性。

2.3 測(cè)試截面

根據(jù)簡(jiǎn)支梁的受力特點(diǎn)可知跨中截面彎矩值最大，而L/4、3L/4處彎矩和剪力值均較大，上述截面位置應(yīng)變和撓度是分析確定箱梁承載力的依據(jù)，因此將上述三個(gè)截面作為本次試驗(yàn)的測(cè)試截面。詳見圖2。

圖2 測(cè)試截面示意（單位：cm）

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

分析主梁在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變及撓度狀況，在上述測(cè)試截面跨中箱梁底板及頂板布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；在每個(gè)測(cè)試截面底板各布置1個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變片編號(hào)如圖3所示，撓度位置和編號(hào)如圖4所示。

圖3 7-6（9-6）號(hào)梁跨中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖4 撓度測(cè)點(diǎn)布置

2.5 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載按以下原則進(jìn)行：

試驗(yàn)加載前，對(duì)主梁進(jìn)行預(yù)壓，以減少試驗(yàn)過(guò)程中主梁的殘余變形。采用分級(jí)加載，每級(jí)穩(wěn)定5 min以上，并且在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)重要測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與理論值及時(shí)進(jìn)行分析比較，以儀器讀數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控為準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中保證有兩個(gè)平行試驗(yàn)，若數(shù)據(jù)重復(fù)性很好，則結(jié)束本工況試驗(yàn)，若重復(fù)性差，檢查原因后重新測(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中，要對(duì)重要測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與理論值及時(shí)進(jìn)行分析比較。

為了盡可能減少試驗(yàn)加載中混凝土殘余變形的影響，全部荷載試驗(yàn)加載到位后，持續(xù)5 min以上，待橋梁變形穩(wěn)定后采集所需數(shù)據(jù)。每次卸載時(shí)，加載量均卸載至0。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 理論計(jì)算

靜載計(jì)算所用程序?yàn)闃蛄悍治鰧Ｓ贸绦驑蛄翰┦俊Ｗ龀鲈囼?yàn)梁在簡(jiǎn)支狀態(tài)下跨中截面、L/4截面和3L/4截面的彎矩影響線（圖5-1～圖5-2）及跨中截面、L/4截面和3L/4截面的撓度影響線（圖5-3～圖5-4）。分別在跨中截面、L/4截面和3L/4截面的彎矩影響線和撓度影響線布置試驗(yàn)荷載，從而可求出主梁在試驗(yàn)荷載下的理論應(yīng)變和撓度。

圖5-1 跨中截面彎矩影響線

圖5-2 L/4（3L/4）截面彎矩影響線

圖5-3 跨中截面撓度影響

圖5-4 L/4（3L/4）撓度影響線

3.2 撓度結(jié)果分析

各撓度測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果見表2所示，其中，撓度以向下為正。

表2 各梁實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算值比較

根據(jù)表2各梁各撓度測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度值進(jìn)行比較分析，撓度變化見圖5。

圖6 撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

從表2及圖6中可以看出：各測(cè)點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明主梁剛度大于設(shè)計(jì)剛度。

3.3 應(yīng)變結(jié)果分析

各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的平均值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果見表3，其中，應(yīng)變以受拉為正，受壓為負(fù)。

從表3中可以看出：各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明主梁強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且主梁處于彈性工作狀態(tài)。

表3 各梁實(shí)測(cè)應(yīng)變與計(jì)算值比較

4 結(jié)論

4.1 加載效率

本次試驗(yàn)的加載效率為1.00，在規(guī)定的范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范中關(guān)于試驗(yàn)荷載的要求，即加載有效。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 撓度

7-6～9-6 號(hào)空心板撓度校驗(yàn)系數(shù)在 0.51～0.62 之間，試驗(yàn)梁在試驗(yàn)荷載作用下，各點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，且在正常范圍之內(nèi)，說(shuō)明各試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)剛度均滿足公路Ⅰ級(jí)的設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 應(yīng)變

7-6～9-6 號(hào)空心板應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在 0.63～0.68 之間，試驗(yàn)梁在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，且在正常范圍之內(nèi)，說(shuō)明其強(qiáng)度滿足要求。

4.2.3 裂縫

在試驗(yàn)工程中未出現(xiàn)裂縫。

綜上所述，澤城西安水電站（二期）南山橋單梁靜載試驗(yàn)梁強(qiáng)度及剛度目前均滿足設(shè)計(jì)要求。