大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋荷載試驗(yàn)方案分析

朱清航（中鐵城際規(guī)劃建設(shè)有限公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

引言

橋梁荷載試驗(yàn)是必須的安全檢測(cè)手段，可以為橋梁的結(jié)構(gòu)性能及承載能力進(jìn)行科學(xué)有效地評(píng)估，提供直觀有力的依據(jù)，并且為橋梁后期的養(yǎng)護(hù)以及健康監(jiān)測(cè)等積累技術(shù)資料［1］，因此橋梁荷載試驗(yàn)是橋梁在正式投入運(yùn)營(yíng)之前必不可少的步驟［3-4］。橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)的首項(xiàng)任務(wù)是科學(xué)合理地制定荷載試驗(yàn)方案，從而全面評(píng)價(jià)橋梁的安全性能［6］。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）［9］新建橋梁可通過(guò)荷載試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求［7］。

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋具有T型剛構(gòu)橋的無(wú)支座支撐，同時(shí)具有連續(xù)梁橋的無(wú)伸縮縫使得行駛平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)［8］。

1 工程概況

跨河橋梁分左右兩幅，主跨橋孔布置為80 m+150 m+80 m大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，總長(zhǎng)310 m，主跨150 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩、承臺(tái)樁基礎(chǔ)，橋面寬度12 m雙向四車(chē)道（0.5 m（護(hù)欄）+11 m（車(chē)行道）+0.5 m（護(hù)欄）），最大橋高107 m。橋墩墩身采用C50混凝土，承臺(tái)及基礎(chǔ)采用C30混凝土，上部箱采用C50混凝土。支座采用盆式橡膠支座，伸縮縫采用模數(shù)式型鋼伸縮裝置。根據(jù)規(guī)范［9］要求連續(xù)剛構(gòu)橋靜載測(cè)試截面邊跨最大正彎矩截面應(yīng)力及撓度（1-1）、主跨墩頂截面主梁應(yīng)力（2-2）、主跨最大正彎矩截面應(yīng)力及撓度（3-3）。測(cè)試截面計(jì)橋型布置見(jiàn)圖1。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)：公路等級(jí)：高速公路;設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-I級(jí)；設(shè)計(jì)行車(chē)速度：80 km/h。

圖1 橋型布置（cm）

2 模型計(jì)算

2.1 模型建立

在CAD中建立截面尺寸后，導(dǎo)入Civil建立變截面組見(jiàn)圖2，箱梁梁高度按1.75次拋物線(xiàn)變化，0#塊、合攏段截面后建立變截面組，完成后將變截面組轉(zhuǎn)化為變截面，以利于提取截面應(yīng)力。靜力試驗(yàn)荷載加載方式是采用單輛三軸載重汽車(chē)作為等效荷載，在試驗(yàn)過(guò)程中模擬設(shè)計(jì)活載所產(chǎn)生的內(nèi)力值，見(jiàn)圖3。

圖2 變截面組設(shè)置界面

圖3 Civil模型

2.2 橋梁特征值分析

剛構(gòu)橋振型測(cè)量前三階，剛構(gòu)橋前三階均為豎向振型。對(duì)于豎向振型，剛構(gòu)橋單幅橋布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在中心線(xiàn)處，其中主跨布置于8分點(diǎn)，邊跨布置于4分點(diǎn)，在Midas Civil 2015中通過(guò)對(duì)自重、二期換算荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，然后對(duì)結(jié)構(gòu)特征值分析，計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的基頻，提取振型圖，根據(jù)基頻按照現(xiàn)行《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60-2004）4.3.2條公式計(jì)算沖擊系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。三階振型見(jiàn)圖4。

表1 沖擊系數(shù)計(jì)算

圖4 1～3三階振型

2.3 各截面控制內(nèi)力

測(cè)試截面靜載作用最大彎矩分別為1-1截面24 622.2 kN/m、2-2截面79 686.9 kN/m、3-3截面21 940.4 kN/m。各截面最不利荷載作用下，1-1截面最大應(yīng)變?yōu)?0 με，最大撓度7.51 mm；2-2截面最大應(yīng)變?yōu)?18 με；3-3截面最大應(yīng)變?yōu)?8 με，最大撓度20.59 mm。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 加載車(chē)輛

采用三軸加載汽車(chē)（重350 kN）加載，三軸加載汽車(chē)軸重為前軸重70 kN，中后軸重280 kN，軸距為中后軸距1.4 m，中前軸距4.0 m，見(jiàn)圖5。在方案設(shè)計(jì)中將車(chē)輛轉(zhuǎn)化為集中荷載加載與結(jié)構(gòu)上進(jìn)行確定加載車(chē)輛數(shù)量及位置。試驗(yàn)前對(duì)每輛車(chē)進(jìn)行配重，使加載車(chē)軸重達(dá)到試驗(yàn)要求，要求加載車(chē)軸重誤差處于±5%范圍內(nèi)，且保證在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生明顯的變化，對(duì)每輛車(chē)編號(hào)。

主梁應(yīng)力控制截面混凝土表面應(yīng)力（應(yīng)變），擬采用在混凝土表面粘貼標(biāo)距為80 mm、阻值為120Ω的應(yīng)變片，配JM3812數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。主梁控制截面橋面撓度的測(cè)量擬采用電子水準(zhǔn)儀（配銦鋼尺）進(jìn)行測(cè)試。

圖5 試驗(yàn)采用加載車(chē)輛（cm）

3.2 加載效率

根據(jù)規(guī)范［9］規(guī)定靜載試驗(yàn)荷載效率宜介于0.85～1.05之間，無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)荷載效率不應(yīng)超過(guò)1。采用影響線(xiàn)加載確定加載位置。加載效率見(jiàn)表2。

表2 各截面靜載控制彎矩及試驗(yàn)荷載效應(yīng)

通過(guò)表2可得，靜載加載效率值在0.91～1.01范圍內(nèi)，均符合規(guī)范［9］要求，以此為加載方案。截面靜載工況下應(yīng)變值見(jiàn)表3。

表3 各截面靜載工況下應(yīng)變值

4 方案確定

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

剛構(gòu)橋箱梁箱內(nèi)布置10個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，頂板3個(gè)、底板3個(gè)、每側(cè)腹板2個(gè)。橋面每截面橫向等距離布置3個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6（a）、脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)1個(gè)布置在橋面見(jiàn)圖6（b）。

圖6 撓度、應(yīng)變、脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置（mm）

4.2 試驗(yàn)荷載

通過(guò)Civil模擬計(jì)算，得出檢測(cè)截面影響線(xiàn)，見(jiàn)圖7。根據(jù)影響線(xiàn)進(jìn)行加載，使得各截面的加載效率在0.85～1.05之間。

圖7 1～3三階振型

圖8 1～3截面加載位置

根據(jù)影響線(xiàn)試算得到靜載試驗(yàn)荷載加載車(chē)輛：1-1截面達(dá)到加載效率需要6輛35 t加載車(chē)沿邊跨最大彎矩處以對(duì)稱(chēng)布置，兩排車(chē)以4 m間距布置，見(jiàn)圖8（a）；2-2截面8輛35加載車(chē)，分三排，每排間距為5 m，見(jiàn)圖8（b）；3-3截面6輛35 t加載車(chē)，分兩排以5 m間距布置，見(jiàn)圖8（c）。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前，用兩輛載重加載車(chē)分別對(duì)測(cè)試對(duì)象各跨跨中進(jìn)行橫橋向?qū)ΨQ(chēng)的預(yù)加載，預(yù)加載試驗(yàn)每一加載載位的持荷時(shí)間為20 min。

預(yù)加載后卸載，并在結(jié)構(gòu)得到充分的零荷載恢復(fù)后，才可進(jìn)入正式加載試驗(yàn)，進(jìn)行初始讀數(shù)，且應(yīng)進(jìn)行分級(jí)加載原則。采用三級(jí)加載原則，得到試驗(yàn)過(guò)程控制截面應(yīng)變值結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 各截面靜載控制應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（με）

試驗(yàn)荷載作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.83之間；卸載后整體應(yīng)變恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變均在20% 范圍內(nèi)。相對(duì)殘余變形最大為0.08%，表明橋梁處于彈性工作范圍，且橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）進(jìn)行建模分析，調(diào)整結(jié)構(gòu)自振頻率，根據(jù)最不利原則定出控制截面，以及按規(guī)范［9］定出截面測(cè)點(diǎn)。（2）根據(jù)影響線(xiàn)以及加載效率定出加載過(guò)程中所需車(chē)輛及車(chē)輛位置。（3）將車(chē)輛荷載轉(zhuǎn)化為集中力作用在結(jié)構(gòu)中，得出控制截面加載效率，從而得出現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)時(shí)加載車(chē)輛位置。

通過(guò)此方法定出橋梁荷載試驗(yàn)方案后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜力荷載試驗(yàn)，得到連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.83之間，規(guī)范［9］規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋校驗(yàn)系數(shù)在0.60～0.90之間，符合要求。主要控制點(diǎn)的相對(duì)殘余變形最大為0.08%，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，因此方案確定較為合理。