橋梁鋪裝層對(duì)橋梁剛度貢獻(xiàn)影響的研究

徐以艷，楊榕 （湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與軌道學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)靜荷載作用下控制截面的應(yīng)變、撓度以及橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的各參數(shù)（固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)等）和動(dòng)力響應(yīng)，是宏觀評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的重要指標(biāo)。如果實(shí)測(cè)值小于理論值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度偏小，結(jié)構(gòu)可能存在開裂或其他異常現(xiàn)象。

現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，梁橋的剛度都是通過梁截面尺寸及材料性能來(lái)確定的，而橋面鋪裝層都是按恒荷載來(lái)考慮。而實(shí)際工程中，橋面鋪裝采用瀝青混凝土或鋼筋混凝土鋪裝層，且鋪裝層厚度較大，這時(shí)鋪裝層與主梁有一定的協(xié)同工作能力，大大提高了整體橋梁的抗彎剛度，這樣實(shí)際測(cè)得橋梁應(yīng)變、撓度及自振頻率比理論計(jì)算值大。目前，認(rèn)為雖然是橋梁抗彎剛度理論計(jì)算時(shí)比較保守的原因，但是實(shí)際鋪裝層對(duì)橋梁抗彎剛度的貢獻(xiàn)是不可忽略的，特別是鋼筋混凝土鋪裝層梁橋。

而目前設(shè)計(jì)中尚未考慮橋面鋪裝層對(duì)橋梁剛度的貢獻(xiàn)。因此，本文依據(jù)某實(shí)橋靜載試驗(yàn)，分別考慮3種情況（不考慮橋面鋪裝層，考慮鋼筋混凝土鋪裝層、考慮瀝青混凝土鋪裝層）采用MIDAS Civil建立計(jì)算模型，導(dǎo)出3種情況的理論值，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比分析，確定鋪裝層對(duì)梁橋剛度貢獻(xiàn)的影響，對(duì)橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)和橋梁狀態(tài)評(píng)估具有較強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。

2 工程概況

某城市橋梁上部構(gòu)造為1聯(lián)（3×25）m，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工工藝，中心樁號(hào)處路線與水流方向夾角為85°。橋梁?jiǎn)慰鐔畏?片預(yù)應(yīng)力小箱梁組成，單幅橋面寬度為23.8m，全斷面車道布置為：0.3m（人行護(hù)欄）+3.0m（人行道）+4.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+15.5m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄），單幅車道布置為單向四車道加非機(jī)動(dòng)車道，設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為城市-A級(jí)。

圖1 橋梁有限元模型

3 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)是使用試驗(yàn)荷載在指定位置對(duì)橋梁進(jìn)行加載，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)變、撓度等參數(shù)。

3.1 有限元計(jì)算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS Civil進(jìn)行建模計(jì)算分析，本次有限元建模分3種情況：①完全不考慮橋面鋪裝影響；②橋面鋪裝完全由20cm厚的C40混凝土充當(dāng)；③橋面鋪裝由20cm的瀝青混凝土充當(dāng)。本次橋面鋪裝模擬，由板單元模擬，瀝青彈性模量為1.2MPa，泊松比為 0.3，容重 24kN/m3。

3.2 試驗(yàn)跨選取及測(cè)點(diǎn)布置

基于靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)跨選取原則，并且結(jié)合橋梁現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作環(huán)境，本文僅選取此橋上游幅第2、3跨為試驗(yàn)跨，測(cè)試斷面為各測(cè)試跨1/2跨截面及上游幅1號(hào)橋墩對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)截面。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：測(cè)試截面為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5和6-6，每一測(cè)試截面在該截面每片小箱梁梁底均布置1個(gè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，有6個(gè)測(cè)試截面，每個(gè)截面布8個(gè)測(cè)點(diǎn)，共48個(gè)測(cè)點(diǎn)，單幅截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖2所示。

撓度測(cè)點(diǎn)布置：由于橋梁現(xiàn)場(chǎng)條件限制，因此將撓度測(cè)點(diǎn)布置于橋面，測(cè)試截面2-2、3-3、5-5、6-6各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀對(duì)撓度進(jìn)行測(cè)量，單幅截面撓度測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖2 測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（其中n為測(cè)試截面號(hào)）

圖3 測(cè)試截面2-2、3-3撓度測(cè)點(diǎn)布置圖（N表示應(yīng)變測(cè)試截面編號(hào)，N為2、3）

3.3 試驗(yàn)加載方案

按照設(shè)計(jì)人群荷載3.5kN/m2進(jìn)行計(jì)算布載，有限元模擬中三種情況均考慮人行道及護(hù)欄的荷載效應(yīng)。試驗(yàn)荷載工況的選擇應(yīng)依據(jù)反映橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)的原則來(lái)進(jìn)行，根據(jù)本橋工程特點(diǎn)，分別選取支點(diǎn)位置最大負(fù)彎矩工況為Ⅰ、跨中截面最大正彎矩工況為Ⅱ、第3跨（邊跨）主梁最大正彎矩工況為Ⅲ?？刂平孛嬖谠囼?yàn)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算值與按設(shè)計(jì)規(guī)范要求布置荷載作用下，控制截面的內(nèi)力計(jì)算值的比值即是靜載試驗(yàn)荷載效率，經(jīng)計(jì)算工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ靜載試驗(yàn)效率系數(shù)分別為0.93、1.04、1.04。試驗(yàn)時(shí)分四級(jí)加載，兩級(jí)卸載。

3.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析

工況Ⅰ應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表1，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值比較見圖4（說(shuō)明：表中應(yīng)變單位為με；“+”表示受拉，表中“-”表示受壓）。

工況Ⅰ應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（με） 表1

工況Ⅱ應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（με） 表2

圖4 截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖

圖5 截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖

工況Ⅱ應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表2，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值比較見圖5（說(shuō)明：表中應(yīng)變單位為με；“+”表示受拉，表中“-”表示受壓）。

3.4.2 撓度測(cè)試結(jié)果及分析

靜載試驗(yàn)工況Ⅱ撓度測(cè)試結(jié)果見表3，各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值與理論值比較見圖6。靜載試驗(yàn)工況Ⅲ撓度測(cè)試結(jié)果見表4，各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值與理論值比較見圖7。

工況Ⅱ撓度測(cè)試結(jié)果（mm） 表3

圖6 截面撓度值與理論值對(duì)比圖

圖7 截面撓度值與理論值對(duì)比圖

工況Ⅲ撓度測(cè)試結(jié)果（mm） 表4

4 結(jié)論

通過以上圖和表可以得出以下結(jié)論：

①在各種工況下，考慮20cm混凝土鋪裝層的彈性應(yīng)變最接近實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變；

②不同截面下，考慮20cm混凝土鋪裝層的撓度值與實(shí)測(cè)撓度值最為接近。

本文通過3種情況下鋪裝層的有限元模擬與梁橋?qū)崪y(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土鋪裝層對(duì)梁橋剛度有影響，對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)和橋梁狀態(tài)評(píng)估，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。