裝配式彎箱梁橋靜載試驗研究

謝賽軍 （通號建設集團公司，湖南 長沙 410001）

0 前言

隨著城市化進程的飛速發(fā)展，城市公路建設及立體交通建設日新月異。為了提高道路交通網(wǎng)的通行能力和通行效率，同時讓橋梁走向服從城市路線的整體走向，路線線形的要求相應地就越來越高，因此，越來越多的彎橋應運而生。彎橋主要的受力特點是翹曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，無論荷載是否偏心，都會相應地產(chǎn)生彎矩和扭矩，并相互影響，同時在彎道處內(nèi)外側(cè)支座反力不等，且內(nèi)外側(cè)反力差易引起的較大的扭矩，使梁截而處于彎扭效應耦合的狀態(tài)，這與常見的正直線橋梁在受力性能方面有著較大的偏差。本文結(jié)合工程實例，基于單梁法對吉首市3×30=90m跳巖河連續(xù)小箱梁彎橋進行有限元分析，并對該橋進行靜載試驗研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

跳巖河橋是金坪路市政橋梁，橋梁里程樁號起始點為K1+532.000，終點為K1+622.000。橋梁總長為 3×30=90.0m，橋梁位于半徑R=500m道路曲線及緩和曲線段，橋梁墩臺平行布置，橋梁全寬33.6m。橋位處場地屬于溶蝕型丘陵地貌，岸坡起伏不大，橋位附近地面標高198.42-205.99m左右，高差約7.57m，地面縱坡10°～15°。橋梁平面布置如圖1所示。

1.2 箱梁參數(shù)

上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土小箱梁，結(jié)構(gòu)體系為先簡支后轉(zhuǎn)連續(xù)的結(jié)構(gòu)，按A類預應力混凝土構(gòu)件設計。橋梁分兩幅設計，單幅橋按5片箱梁布置，單幅橋梁斷面布置為：0.3m（欄桿）+4.5m（人行道）+11.5m（機動車道）+0.5m（防撞護欄）＝16.8m，中分帶寬3.0m。為確保橫斷面尺寸與道路一致，邊梁的翼緣長度做相應調(diào)整以適應道路曲線。

主梁采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，線膨脹系數(shù)為 1.0×10-5，容重為 26kN/m3，荷載采用城市-A級，人群荷載為3.0kN/㎡。箱梁結(jié)構(gòu)的截面尺寸如圖2所示。

2 靜載試驗

圖2 試驗橋梁尺寸橫斷面圖

橋梁試驗表 表1

經(jīng)過現(xiàn)場考察后，根據(jù)設計圖紙確定試驗方案，選擇施工中存在一定問題的橋跨、結(jié)構(gòu)受力最不利、相對結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況較差、便于搭設支架和設置測點以及施加荷載方便的橋跨進行試驗。本次試驗采用橋梁專用分析計算軟件Midas/Civil對其進行試驗荷載的靜力理論計算，跳巖河橋成橋靜載試驗所選取的試驗跨見表1所示。

2.1 有限元分析

采用Midas/civil建立梁單元有限元模型，按照城市-A級荷載標準，計算該橋的荷載效應，結(jié)構(gòu)計算簡圖及受力圖如圖3、圖4所示。

圖3 30+30+30m連續(xù)梁有限元模型

2.2 試驗荷載

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，靜載試驗荷載一方面應保證結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面又應能充分暴露結(jié)構(gòu)承載能力，一般靜載試驗效率系數(shù)：

式中：ηq——靜載試驗荷載效率系數(shù)。

Ss——試驗荷載作用下，檢測部位最大變位或最不利內(nèi)力計算值；

S'——設計標準荷載作用下，檢測部位最大變位或最不利內(nèi)力計算值；

μ——設計取用的動力系數(shù)。

選取最不利荷載效應作為本文分析研究的重點，因此選取邊跨及中跨最大正彎矩偏載、中載測試工況進行分析，靜載試驗效率如表2所示。

2.3 測點布置

①應力應變測試。本次試驗箱梁跨中梁底最大正彎矩應變測點的布置為一片梁布置6個測點，分別在腹板與頂板交界處、腹板與底板交界處及底板中間各2個測點，采用振弦式應變計和配套的測試儀進行應變測試。

②撓度測試。試驗撓度測點布置在測試跨在各箱梁中心線和兩個支座斷面處，共七個斷面的橋面上布置豎向撓度測點，利用精密水準儀與百分表配合測量橋跨的撓度變化，考察結(jié)構(gòu)的剛度。

2.4 測試規(guī)則

按照擬定的試驗工況，經(jīng)計算分析表明：本次試驗加載采用4～6臺重約450kN的加載車，加載車分三級加載（一級加載2輛車，二級加載4輛車，三級加載6輛車）。

圖4 跳巖河橋連續(xù)梁活載彎矩效應圖（kN·m）

跳巖河橋連續(xù)梁活載彎矩效應圖（kN·m） 表2

圖5 跳巖河橋連續(xù)梁最不利應變梁體測試結(jié)果對比圖

2.4.1 靜力加載持續(xù)時間

加、卸載的持續(xù)時間取決于結(jié)構(gòu)最大變位測點達到穩(wěn)定標準所需要的時間，實際觀測時，一般是取15分鐘。

2.4.2 終止加載的控制條件

①控制測點變位（或撓度）超過規(guī)范允許值時；

②由于加載使結(jié)構(gòu)裂縫長度、寬度急劇增加，新裂縫大量出現(xiàn)，寬度超出允許值的裂縫大量增多，對結(jié)構(gòu)使用壽命造成較大的影響時；

③發(fā)生其它破壞，如超過規(guī)范允許值等影響橋梁承載能力或正常使用時。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，可得到跳巖河連續(xù)彎箱梁橋在各個工況下的應變及撓度測試情況各有不同，值得一提的是對于應變測試結(jié)果，本文在此僅挑選出最不利荷載工況下受力最大的梁體，將理論數(shù)值與試驗結(jié)果進行對比分析，對比結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖6 跳巖河橋連續(xù)梁撓度測試結(jié)果對比圖

從圖5可以看出，結(jié)構(gòu)應變測量結(jié)果與理論值較吻合，各個測點的應變值在不同工況的不同荷載等級下，應變大小與加載大小呈正相關(guān)態(tài)勢，且變化趨勢基本成線性發(fā)展，最大應變出現(xiàn)在工況一即邊跨跨中偏載工況1#梁3-4號測點，測試應變值達到148με，理論值為187με。

從圖6可以看出，結(jié)構(gòu)撓度測量結(jié)果與理論值較吻合，與荷載施加等級呈正相關(guān)態(tài)勢，且變化趨勢與應變變化趨勢類似，最大撓度出現(xiàn)在工況一橋梁1/2跨中位置，最大撓度值11.648mm，理論值為15.326mm，相鄰跨最大負撓度為-4.597mm，理論值為-6.129mm，支點位置則基本沒有變化。

綜合上述分析，可以發(fā)現(xiàn)該小箱梁彎橋最不利受力狀態(tài)是在橋梁邊跨受偏載作用的情況下發(fā)生，邊跨跨中偏載作用下的應變校驗系數(shù)最大值為0.780，撓度校驗系數(shù)最大值為0.739，均小于1，滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)承載力滿足設計荷載要求；殘余應變與加載應變之比最大值為0.139，殘余撓度與加載撓度之比最大值為0.111，均小于0.2，說明結(jié)構(gòu)的回彈性能較好。

4 結(jié)論

本文根據(jù)跳巖河裝配式小箱梁彎橋的特點，結(jié)合有限元分析和現(xiàn)場試驗研究，可以看出，在各工況各級加載作用下，橋梁的力學性能和變形性能表現(xiàn)良好，理論分析與試驗測試結(jié)果較吻合，荷載等級與應變、撓度基本呈正相關(guān)變化，在試驗荷載作用下橋梁最大應變測試值均小于最大理論值，殘余變形較小，應變校驗系數(shù)和撓度校驗系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)整體處于較好的工作狀態(tài)，并且觀察到應變及撓度校驗系數(shù)普遍處于0.7至0.8之間，表明基于單梁法進行此類橋梁的理論分析是偏安全考慮的，可為同類工程設計和施工提供參考。