通過荷載試驗對高墩大跨度混凝土橋性能的分析

文/周群

1 前言

高墩大跨度橋梁，由于其自身具有較好的受力性能、大跨度能力、工程造價低等特點，被廣泛運用在西部地區(qū)。但是隨著使用時間的增加和外界荷載不斷作用下，會出現(xiàn)梁體破裂、預(yù)應(yīng)力減小、下?lián)线^大等病害，給橋梁結(jié)構(gòu)的性能和使用安全造成嚴重的影響。

本文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，基于實際的工程案例，結(jié)合相關(guān)的理論知識，通過荷載試驗及采用有限元軟件Midas-Civil，建立大橋施工-運營分析模型，對高墩大跨度混凝土橋的性能進行分析，探究高墩大跨度混凝土橋的整體性能。

2 工程概況及模型設(shè)計

此橋梁工程位于西部偏遠山區(qū)的高速公路，采用（95+3×150+95）m 的混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案，主墩高分別為：65m、125m、140m、45m。運用有限元軟件Midas-Civil 建立結(jié)構(gòu)模型，對橋梁整體進行受力分析和性能評估。

在荷載試驗前，應(yīng)該對相關(guān)參數(shù)進行定義，其中，ε 表示車道折減系數(shù)、1+μ 表示活載沖擊系數(shù)、η 表示活載偏心影響提高系數(shù)、ML表示活載效應(yīng)。車道荷載效應(yīng)的內(nèi)力見表1。

表1 各類荷載工況內(nèi)力信息

續(xù)表

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的相關(guān)要求，應(yīng)當使用極限狀態(tài)進行荷載效應(yīng)組合來評估橋梁的正常使用性能，即短期作用效應(yīng)組合與長期作用效應(yīng)組合[1]。通常短期效應(yīng)組合可以用公式（1）計算：

式（1）中：Ssd表示作用短期效應(yīng)組合的設(shè)計值；SGik表示第i 個永久作用效應(yīng)標準值；φ1j表示第j 個可變作用效應(yīng)的頻域值系數(shù)；SQjk表示第j 個可變作用效應(yīng)標準值[2]。

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范取值，實際公式可以化簡為：

式（2）中：SG1表示結(jié)構(gòu)一期恒載（除橋面鋪裝與附屬設(shè)施外）的重力作用，SG2表示結(jié)構(gòu)二期恒載（橋面鋪裝與附屬設(shè)施）的重力作用，SQ1表示汽車荷載效應(yīng)作用，SQ2表示人群荷載效應(yīng)作用，SQ3表示溫度梯度荷載效應(yīng)作用[3]。

橋梁在正常使用的情況下的極限狀態(tài)作用，可用短期一次效應(yīng)組合來表示。但是實際情況中應(yīng)該考慮預(yù)應(yīng)力等其他因素對橋梁的影響，可用短期二次效應(yīng)組合來表示。通常長期效應(yīng)組合可以由公式（3）計算：

式（3）中：SId表示長期效應(yīng)組合設(shè)計值，φ2j表示第j 個可變作用效應(yīng)的準永久值系數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范取值[4]，實際公式可以化簡為：

3 荷載試驗及評價

靜載試驗中，用確定好的偏載系數(shù)、撓度校驗系數(shù)、應(yīng)變校驗系數(shù)在荷載作用下，對主梁測試截面的靜力撓度、靜力應(yīng)變，墩-梁結(jié)合部位截面的結(jié)構(gòu)變位，墩底測試截面的靜力應(yīng)變，主梁梁體的新生裂縫情況進行試驗[5]，以此評估大橋的荷載能力。

3.1 靜載試驗分析

橋面鋪裝地層、承臺及墩身采用C30 混凝土，主橋橋墩采用C40 混凝土，主橋箱梁采用C50 混凝土，容重都為25kN/m3。全橋結(jié)構(gòu)單元劃分為380 個。

現(xiàn)場在對各加載點進行車輛熄火加載，每個加載工況需要進行2 次試驗。每次加載試驗時，必須保證車輛熄火，原地穩(wěn)定維持5min。穩(wěn)定后，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。加載方案為各車道加載車數(shù)量分級加載，第一次和第二次加載試驗必須間隔10min 以上，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)回復(fù)形變，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，最終結(jié)合有限元模型計算的理論值分析比較[6]。

3.2 應(yīng)變分析

在3 次靜載平行試驗設(shè)計的荷載作用下，通過靜載試驗結(jié)合有限元軟件分析可知，應(yīng)變實測值除以理論值，其結(jié)果就是靜載試驗加載過程中的應(yīng)變校驗系數(shù)，可用公式（5）來表示，各靜載試驗工況的應(yīng)變校驗系數(shù)見表2。

表2 各試驗工況的應(yīng)變校驗系數(shù)

式（5）中：α 表示應(yīng)變校驗系數(shù)；Si表示應(yīng)變實測值；Sc表示應(yīng)變理論計算值[7]。

由表2 可知，在各種試驗情況下，試驗橋梁的應(yīng)變校驗系數(shù)大部分數(shù)值都比較小，且都在正常的范圍之內(nèi)。說明大橋在加載過程中的形變很小，橋梁的剛度和橫向聯(lián)系較好，處于壽命工作前期，承載能力較強，安全性高。

3.3 撓度分析

不同靜載加載試驗中，撓度校驗系數(shù)等于撓度實測值除以理論計算值，具體計算公式：

式（6）中：β 表示應(yīng)變校驗系數(shù)；di表示應(yīng)變實測值；dc表示應(yīng)變理論計算值。

在不同工況試驗中，試驗橋梁的應(yīng)變校驗系數(shù)為：邊跨為0.5L1截面在中載情況下，測點撓度校驗系數(shù)為0.69，偏載測點撓度校驗系數(shù)為0.72，平均值為0.71；次邊跨跨中截面在中載情況下，測點撓度校驗系數(shù)為0.685，偏載測點撓度校驗系數(shù)為0.71，平均值為0.70。

由以上數(shù)據(jù)可知，在各種試驗情況下，試驗橋梁的應(yīng)變校驗系數(shù)大部分數(shù)值都比較小，且都在正常的范圍之內(nèi)，說明大橋在加載過程中的下?lián)锨闆r較合理，橋梁的剛度和橫向聯(lián)系較好、承載能力較強[8]。

3.4 橫向分布分析

在試驗設(shè)計荷載的作用下，試驗橋的橫向偏載系數(shù)實測值大部分都不大于1.13，靜力試驗可以充分地反映出大橋的剛度和橫向聯(lián)系較好，處于壽命工作前期，承載能力較強，安全性高。

4 結(jié)語

針對高墩大跨混凝土梁橋正常使用性能評價問題，以實際案例為基礎(chǔ)，提出基于荷載試驗的高墩大跨混凝土梁橋正常使用性能評價方法。通過設(shè)計符合該橋結(jié)構(gòu)特點的靜、動載荷載工況，并分析各類試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：荷載試驗評定技術(shù)相對于其他評估方法更能科學、準確、直觀、有效地反映出高墩大跨度混凝土橋的正常使用性能。