大跨連續(xù)剛構(gòu)橋增設(shè)渡江管道整體安全性研究

何思路

(閬中市公路管理養(yǎng)護局， 四川閬中 637400)

隨著我國城市化建設(shè)的迅猛發(fā)展，供水管道的運量逐漸難以滿足生產(chǎn)、生活的需求，增設(shè)供水管道成為城市優(yōu)化升級過程中的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水管道渡江方法主要為單獨架設(shè)管道橋梁[1]和水下沉管，工程量大且工期較長。而利用既有橋梁直接敷設(shè)渡江管道具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢，能有效節(jié)約工程成本，符合可持續(xù)性發(fā)展理念。在橋梁上增設(shè)渡江管道會改變原始設(shè)計的持荷狀態(tài)，重新評估橋梁的實際承載能力和工作性能對保障結(jié)構(gòu)的整體安全性能具有十分重要的意義。

靜載試驗是評估橋梁安全性能的重要研究手段，通過在指定位置施加靜止荷載，測試橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和位移等性能指標(biāo)，判斷橋梁在荷載作用下的實際工作狀態(tài)[2-3]。目前，對于新建大跨橋梁、改建或加固的舊橋以及需要通過特種車輛的橋梁，均需進(jìn)行橋梁荷載試驗。關(guān)于橋梁安全性能評估方法，工程界展開了廣泛的探討，如王凌波等[4]設(shè)計了橋梁荷載試驗方案全自動車輛布載算法，改善了荷載試驗中車輛布置復(fù)雜的難點。馬超等[5]通過對大量荷載試驗現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到橋梁荷載試驗箱撓度校驗系數(shù)的常值范圍。蔣偉[6]評估了體外預(yù)應(yīng)力加固后橋梁的實際承載能力。危媛丞[7]采用荷載試驗對不規(guī)則連續(xù)整體式板梁進(jìn)行了安全性評估。目前關(guān)于橋梁安全性能評估的研究中，少見探討增設(shè)渡江管道對橋梁承載能力的影響。

本文以閬中市嘉陵江三橋為工程背景，考慮增設(shè)渡江管道后橋梁承載狀況的變化，開展荷載試驗評估改建后橋梁的整體安全性能，對供水管道渡江方案決策提出建議。研究結(jié)論可供類似橋梁敷設(shè)渡江管道的安全性評估參考。

1 工程背景及分析模型

1.1 工程背景

閬中市嘉陵江三橋主橋為連續(xù)剛構(gòu)橋，全橋?qū)?6 m，橋梁跨徑(85+148+85) m。箱梁頂面設(shè)有單向2 %橫坡，箱梁底橫向保持水平，通過調(diào)整箱梁腹板高度形成2 %的單向橫坡。箱梁頂板寬13.0 m，底板寬6.5 m；梁高根部為8.5 m，高跨比為1/17.4；跨中3.5 m，高跨比為1/42.3；梁底變化曲線：1.8次拋物線；箱內(nèi)頂板最小厚度為0.28 m；腹板厚度為0.9～0.75～0.6～0.45 m；底板厚度根部為1.0 m、跨中0.30 m，底板厚度按1.8次拋物線變化；主梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主橋主墩墩身采用單箱截面薄壁墩，墩身尺寸為6.5 m×4.0 m，壁厚0.8 m×0.6 m。設(shè)計荷載等級：公路-I級；人群荷載：2.5 kPa；設(shè)計速度：40 km/h。橋梁實景如圖1所示。

圖1 閬中嘉陵江三橋?qū)嵕?/p>

為解決閬中河?xùn)|片區(qū)生產(chǎn)、生活用水問題，現(xiàn)從七里新區(qū)敷設(shè)一趟 DN800 供水管至河?xùn)|片區(qū)，跨越閬中市嘉陵江三橋。因嘉陵江三橋主橋敷設(shè)單根DN800 供水管，架設(shè)于左右幅之間，可能會對橋梁受力造成一定影響，對該橋進(jìn)行評估計算與靜載試驗。

1.2 結(jié)構(gòu)分析模型

為有效評估增設(shè)渡江管道后橋梁的整體安全性能，并合理地進(jìn)行該橋荷載試驗，采用有限元軟件Midas Civil建立全橋分析模型，如圖2所示。模型上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均采用三維空間梁單元模擬，整個模型共189個節(jié)點，174個梁單元。交界墩支座采用彈性連接模擬，各自由度方向剛度值按是否約束取極大值為0，承臺底采用六自由度彈簧模擬樁土效應(yīng)。以荷載形式模擬渡江管道對橋梁的作用，在全橋按最不利滿載DN800 供水管施加均布荷載。

圖2 有限元模型

2 結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)評估

在連續(xù)剛構(gòu)橋梁上增設(shè)渡江管道后，橋梁的持荷狀態(tài)發(fā)生變化，原始設(shè)計不一定能保證整體結(jié)構(gòu)仍滿足安全性要求。因此需要利用有限元模型，從承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩個角度，重新評估橋梁整體安全性能。

2.1 承載能力極限狀態(tài)評估

增設(shè)的渡江管道荷載按永久作用考慮，采用作用基本組合評估橋梁的承載能力極限狀態(tài)。以梁體抗彎承載能力和抗剪承載能力作為承載能力極限狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)。表1和表2分別為梁體抗彎承載能力與梁體抗剪承載能力計算結(jié)果。

由表1和表2可見，主橋梁體正截面抗彎承載能力安全儲備系數(shù)最小為1.12，斜截面抗剪承載能力安全儲備系數(shù)最小為1.11。因此，增設(shè)渡江管道后，維持橋梁原始設(shè)計不變，其抗彎與抗剪承載能力仍然滿足安全性要求，渡江管道并不威脅橋梁承載能力安全。

表1 梁體抗彎承載能力計算結(jié)果

表2 梁體抗剪承載能力計算結(jié)果

2.2 正常使用極限狀態(tài)評估

嘉陵江三橋主橋的正常使用極限狀態(tài)需要評估正截面抗裂與斜截面抗裂。該橋按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，控制截面的抗裂計算結(jié)果如表3所示。表中壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

由表3可見，梁體控制截面正截面抗裂最大應(yīng)力為0.56 MPa(壓應(yīng)力)，全橋未出現(xiàn)正截面拉應(yīng)力。梁體控制截面斜截面抗裂最大應(yīng)力為0.93 MPa(拉應(yīng)力)，容許應(yīng)力限值為0.4ftk=1.10MPa。因此，梁體滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的使用要求。

有限元模型計算結(jié)果表明，增設(shè)渡江管道后，橋梁的原始設(shè)計仍然滿足正常使用要求。

表3 梁體抗裂計算結(jié)果 MPa

3 靜載試驗方案

3.1 靜載試驗測試內(nèi)容

在采用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展橋梁靜載試驗，測試橋梁的實際安全狀態(tài)。

本次試驗測試位置主要包括主跨跨中梁體截面(A-A)、橋墩附近梁體截面(B-B)和邊跨跨中梁體截面(C-C)等三處，如圖3所示。其中，A-A和C-C截面為最大正彎矩加載試驗，包含中載和偏載兩類加載方式，B-B截面為最大負(fù)彎矩加載試驗，僅有中載加載方式。

圖3 測試截面布置(單位：cm)

靜載試驗的測試內(nèi)容主要為試驗截面的應(yīng)力測試，試驗跨梁體L/4、L/2、3L/4及相鄰L/2截面處豎向撓度測試以及控制截面的裂縫及其它異常情況觀測。撓度測點布置如圖4和圖5所示。

圖4 撓度測點縱向布置(單位：cm)

圖5 撓度測點橫斷面布置(單位：cm)

3.2 靜載試驗荷載布置

靜載試驗的荷載設(shè)計考慮DN800給水管充滿水狀態(tài)，模擬增設(shè)渡江管道后大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的持荷情況，針對性地評估橋梁在實際狀況下的受力性能。

為了獲得結(jié)構(gòu)試驗荷載與變位關(guān)系的連續(xù)曲線和防止結(jié)構(gòu)意外損傷，靜力試驗荷載按4級加載，2級卸零；加載方式為單次逐級遞增到最大荷載，然后卸到零級荷載。

靜力試驗荷載的加載分級，主要依據(jù)試驗加載車在檢驗項目影響面內(nèi)縱橫向位置的不同以及加載車數(shù)量多少，分成設(shè)計控制荷載產(chǎn)生的該檢驗項目最不利效應(yīng)值的50 %、80 %、90 %和100 %。加載位置與加載工況的確定主要依據(jù)的原則是：盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的試驗荷載效率，同時應(yīng)考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，并在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進(jìn)行適當(dāng)合并，每一加載工況依據(jù)控制檢驗項目設(shè)置，同時兼顧其他檢驗項目。根據(jù)設(shè)計荷載計算各跨各控制截面的彎矩，并依此進(jìn)行試驗荷載設(shè)計。

本橋加載車輛采用軸距為3.8+1.35 m的雙后軸載重貨車，單車總重分別為450 kN。各試驗截面工況分級加載車輛如表4所示，表中Z表示縱向車列數(shù)量，H表示橫向車輛數(shù)量。不同工況下加載車輛的縱橋向位置布置如圖6和圖7所示，中載和偏載下車輛在橫向的布置如圖8和圖9所示。

表4 各試驗截面工況分級加載車輛

圖6 A-A工況加載車輛布置(單位：cm)

圖7 B-B工況和C-C工況加載車輛布置(單位：cm)

圖8 中載工況加載橫向布置示意(單位：cm)

圖9 偏載工況加載橫向布置示意(單位：cm)

本次試驗的效率系數(shù)如表5所示，各個工況荷載效率系數(shù)滿足規(guī)范要求的0.95至1.05的范圍。

表5 靜載試驗效率系數(shù)

4 靜載試驗結(jié)果

4.1 靜載試驗撓度測試主要結(jié)果

在靜載試驗過程中，各工況下橋梁的相對殘余撓度均小于20 %，表明橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段。各中載工況下橋梁關(guān)鍵位置的撓度測試結(jié)果如表6所示，偏載工況下橋梁關(guān)鍵位置的撓度測試結(jié)果如表7所示。

試驗結(jié)果表明，在中載作用下，A工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.63～0.87之間，B/C工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.68～0.82之間。在偏載作用下，A工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.67～0.83之間，B/C工況撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.59～0.84之間。全部撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1.0，表明試驗橋梁具有較好的剛度，且具有較充分的安全儲備。

4.2 應(yīng)變測試結(jié)果

在靜載試驗過程中，各工況下橋梁的相對殘余應(yīng)變均小于20 %，表明橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)處于彈性階段。試驗荷載作用下，關(guān)鍵位置應(yīng)變實測值與計算值見表8。

表6 中載工況撓度測試結(jié)果 mm

表7 偏載工況撓度測試結(jié)果 mm

表8 中載工況應(yīng)變測試結(jié)果 με

試驗結(jié)果表明，A工況應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.67～0.86之間，B工況應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.69～0.81之間，C工況應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.71～0.86之間。全部應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1.0，表明試驗橋梁具有較好的強度，且具有較充分的安全儲備。

5 結(jié)論及建議

本文以閬中市嘉陵江三橋主橋為工程背景，采用有限元分析和原位靜載試驗等評估方法，研究了在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上增設(shè)渡江管道后的安全性能，得到了如下結(jié)論：

(1)有限元模型評估計算結(jié)果表明，增設(shè)渡江管道會導(dǎo)致橋梁的整體持荷狀態(tài)發(fā)生變化，但原始設(shè)計仍滿足承載能力和正常使用的安全性要求。

(2)靜載試驗撓度測試結(jié)果表明，全部撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1.0，試驗橋梁的剛度較好，且具有一定的安全儲備。

(3)靜載試驗應(yīng)變測試結(jié)果表明，全部應(yīng)變結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1.0，試驗橋梁的強度較好，且具有一定的安全儲備。

(4)在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁上增設(shè)渡江管道后，無需對橋梁進(jìn)行加固改造處理，原始結(jié)構(gòu)即能滿足安全性要求。對于類似渡江管道建設(shè)工程，在進(jìn)行充分的安全性能評估的基礎(chǔ)上，可利用既有橋梁直接敷設(shè)渡江管道，能有效節(jié)約工程成本，符合可持續(xù)性發(fā)展理念。