成都某跨線橋荷載試驗分析

鄧　靜

(成都市興蓉安科建設工程有限公司, 四川成都 610000)

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成都某跨線橋荷載試驗分析

鄧靜

(成都市興蓉安科建設工程有限公司, 四川成都 610000)

【摘要】通過靜載試驗全面了解橋梁結構在靜載作用下的實際工作狀況，評價其工作性能。

【關鍵詞】跨線橋;靜載;試驗

1工程概況

該橋全長469.96 m，橋梁上部結構為預應力混凝土(C40)連續(xù)箱梁，下部結構為雙柱墩，設置隱形蓋梁，橋臺為輕型橋臺，臺后接路肩擋土墻，全橋基礎采用挖孔樁基礎，樁為端承樁，樁底進入中風化泥巖。全橋上部孔跨布置為5×20 m一聯(lián)，4×20 m+2×21.5 m一聯(lián)及5×20 m一聯(lián)共16孔(圖1)，箱梁高1.2 m，蓋梁設置為預應力蓋梁。橋墩直徑為1.2 m，墩臺樁徑為1.5 m。設計荷載等級為城-A級荷載。

圖1　 連續(xù)梁布置

2試驗目的與試驗項目

2.1試驗目的

(1)通過靜載試驗，全面了解橋梁結構在靜載作用下的實際工作狀況，從而判斷橋梁結構的安全承載能力，評價其在設計使用荷載下的工作性能。

(2)為橋梁養(yǎng)護管理提供技術依據(jù)。

2.2試驗項目

選取橋梁的第三聯(lián)第5跨(邊跨)、第二聯(lián)第1跨(跨徑較大牛腿跨)和第一聯(lián)第5跨(近牛腿跨)進行荷載試驗。根據(jù)連續(xù)箱梁橋的受力特點和受力性能，本次試驗主要完成以下項目：

(1)結構控制截面的最大應力(或應變)，評定橋梁結構強度是否滿足設計要求；

(2)結構的最大撓度和變形，評定橋梁結構剛度是否滿足設計要求。

3試驗工況

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，選定典型內力或位移控制截面進行試驗。橋梁試驗各跨測試控制截面A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3的位置分別如圖2、圖3所示。其中A1截面離伸縮縫9.3 m，A2截面離5#墩柱中心線10 m，A3截面離5#墩柱中心線9 m。B1、B2截面離最近墩柱中心線1.6 m，C1截面離伸縮縫2.0 m，C2截面離最近墩柱中心線2.5 m(即下牛腿根部)。

圖2　控制截面位置示意圖一

圖3　控制截面位置示意圖二

本試驗按連續(xù)梁橋的主要試驗內容確定靜載試驗工況，共安排10個工況。

(1)第三聯(lián)第5跨(邊跨)安排4個試驗工況，試驗工況號及控制內力如下：

工況1: 跨中附近截面A1最大正彎矩(正載)。

工況2: 跨中附近截面A1最大正彎矩(偏載)。

工況3: 邊跨墩支點附近截面B1最大負彎矩工況(正載)。

工況10: 16#橋墩(臺)支點附近截面C1最大剪力工況(正載)。

(2)第二聯(lián)第1跨(跨徑較大牛腿跨)安排4個試驗工況，試驗工況號及控制內力如下：

工況4: 跨中附近截面A2最大正彎矩工況(正載)。

工況5: 跨中附近截面A2最大正彎矩工況(偏載)。

工況6: 6#墩支點附近截面B2最大負彎矩工況(正載)。

工況7: 5#墩支點附近截面C2最大剪力工況(正載)。

(3)第一聯(lián)第5跨(近牛腿跨)安排2個試驗工況，試驗工況號及控制內力如下:

工況8: 跨中附近截面A3最大正彎矩工況(正載)。

工況9: 跨中附近截面A3最大正彎矩工況(偏載)。

4加載荷載

4.1荷載試驗的加載原則

為達到試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定和試驗安全之目的，根據(jù)經(jīng)驗對加載程序作如下安排：(1)在試驗開始前，用單輛試驗車低速往返多次通過試驗橋梁，以消除部分殘余應力，起到使試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定的效果；(2)為保證試驗安全，避免過載引起橋梁損壞，其試驗車輛將采取分批加載。事先計算出各工況下全部車輛引起控制截面的應變與撓度，在部分試驗車輛到位后，測量相關的應變和撓度，將其與計算值進行比較，按彈性力學原理，確認全部車輛產生的應力在計算估計的范圍之內后，再讓全部試驗車輛到位。

4.2試驗加載用車

本次試驗采用5輛400 kN雙后軸載重車(圖4)。主要技術指標如下:

軸距：前軸距中軸3.3 m；中軸距后軸1.30 m。

圖4　400 kN加載汽車軸重、尺寸示意

軸重：前軸80 kN；中軸160 kN；后軸160 kN。

4.3荷載效率

各工況下試驗所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設計標準活荷載產生的最不利效應值按下式所定原則等效換算而得。

(1)

式中：η為靜力試驗荷載效率系數(shù)；Sstat為試驗荷載作用下，檢測部位變位或內力的計算值；S為設計標準活荷載作用下，檢測部位變位或內力的計算值(不計沖擊作用時)；μ為設計取用的沖擊系數(shù)。

依據(jù)式(1)的要求，計算各工況的加載車輛數(shù)和荷載效率系數(shù)。

十陵立交橋荷載試驗各靜載試驗工況的控制截面、控制項目、加載車輛數(shù)、荷載效率系數(shù)和加載方式如表1所示。

5試驗方法

5.1橋梁撓度和橫向位移

在各試驗工況下，加載前、加載中和卸載后分別對橋梁撓度進行測量。橋面撓度測點分別位于試驗跨的L/4、跨中、3L/4、支座和相鄰跨相關截面的橋面邊緣，采用精密水準儀測量?？缰薪孛娴南淞旱撞课灰坪偷谝宦?lián)第5跨(近牛腿跨)的水平位移采用位移計測量。

第三聯(lián)第5跨(邊跨)撓度測點布置如圖5所示，第二聯(lián)第1跨(牛腿跨)、第一聯(lián)第5跨(近牛腿跨)的撓度測點布置如圖6所示。

表1　靜載工況及效率系數(shù)一覽表

圖5　第三聯(lián)第5跨撓度測點布置

圖6　第一聯(lián)第5跨、第二聯(lián)第1跨撓度測點布置

撓度和位移測量方法：采用精密水準儀、位移計、全站儀等進行撓度和位移測量。其中空心圓示意為橋面撓度測點；實心圓示意為箱梁底板測點；空心圓加叉為水平位移測點；黑三角為橋面全站儀測點。

5.2應變測量

在各試驗工況下，加載前、加載中和卸載后分別對橋梁結構應變進行測量。橋梁混凝土表面的應變測點，分別位于試驗跨的控制截面的箱梁底板下緣、翼板下緣及腹板外側面，以及牛腿支座附近箱梁截面B2的中性軸處。

在跨中附近正彎矩控制截面A1、A2、A3的混凝土表面，布置縱向電阻式混凝土應變片;在截面A1、A2、A3的箱梁底板下緣縱向鋼筋上，布置縱向電阻式鋼筋應變片(圖7)。圖中： “—”和“〇”分別表示箱梁混凝土表面順橋向應變片和主筋順橋向應變片。

圖7　A1、A2、A3截面縱向應變片布置

在負彎矩控制截面B1、B2的混凝土表面的應變測點處，縱向布置混凝土電阻式應變片(圖8)。

圖8　B1、B2截面縱向應變片布置

在剪力控制截面C1的中性軸處，布置混凝土電阻式直角應變花(圖9)。

圖9　C1截面直角應變花布置

在剪力控制截面C2的中性軸處，布置混凝土電阻式直角應變花(圖10)。

圖10C2截面直角應變花布置

5.3溫度觀測

試驗過程中觀測橋梁左右幅結構溫度，并根據(jù)測試結果調整溫度補償片的數(shù)量及放置位置。

6靜載試驗結果與分析

6.1應變測試結果及分析

本試驗采用Dp818靜態(tài)應變數(shù)據(jù)自動采集儀對各工況下各測點的加載應變和卸載后各點的應變進行了測量，橋體結構的實際殘余應變?yōu)樾遁d后的應變值減去儀器的初讀值，各測點的應變值及按上述方法計算出的殘余應變值具體測量數(shù)據(jù)省略。

第三聯(lián)第5跨(邊跨)底板混凝土各測點的殘余應變加權平均值為0.5 με，而試驗底板應變加權平均值為27.5 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為1.82 %。第三聯(lián)第5跨底板縱向鋼筋各測點的殘余應變加權平均值為0 με，而試驗底板應變加權平均值為72 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為0 %。

第二聯(lián)第1跨(牛腿跨)底板混凝土各測點的殘余應變加權平均值為0.25 με，而試驗底板應變加權平均值為21.75 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為1.15 %。第二聯(lián)第1跨底板縱向鋼筋各測點的殘余應變加權平均值為2 με，而試驗底板應變加權平均值為35 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為5.71 %。

第一聯(lián)第5跨(近牛腿跨)底板混凝土各測點的殘余應變加權平均值為1.25 με，而試驗底板應變加權平均值為19.75 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為6.33 %。第一聯(lián)第5跨底板縱向鋼筋各測點的殘余應變加權平均值為1 με，而試驗底板應變加權平均值為59 με，相對殘余變形(殘余應變與測試應變之比)為1.69 %。

通過剪切截面C的應變花的應變可以計算此處的主應變。布置在箱梁C截面?zhèn)让嫔?°、90°和45°(或-45°)方向的應變片，其對應的實測應變用 ε0、ε90和ε45(或ε-45)表示，于是有：

測點的主應變?yōu)椋?/p>

由表算得C1截面各測點的主應變分別為：1#為17 με；2#為24 με；3#為24 με。該3測點的理論主應變均為21.7 με。

由以上應變測量結果可知，相對殘余變形小于控制值20 %，說明該橋梁結構在城-A級荷載作用下具有較好的彈性恢復能力。

箱梁跨中截面底板下緣測點在各工況下的應變測量值與計算值具體測量數(shù)據(jù)省略。

跨中截面底板下緣混凝土測點的應變校驗系數(shù)多數(shù)在0.52～0.90之間，少數(shù)測點校驗系數(shù)大于0.90，符合《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中規(guī)定的1.05上限；跨中截面底板下緣鋼筋測點的應變校驗系數(shù)在0.77～1.31之間，多數(shù)測點校驗系數(shù)大于0.90。

A1截面底板下緣的混凝土實測應變均小于鋼筋實測應變，這表明：由于底板下緣混凝土裂縫(寬度0.1～0.2 mm)的出現(xiàn)，使得混凝土的受力有所削弱。此現(xiàn)象亦符合規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》采用的裂縫寬度計算理論。

綜合各控制截面的應變值及應變校驗系數(shù)的分析，表明橋梁城-A級標準荷載作用下結構跨中附近是安全的,具有一定的安全承載儲備，強度能滿足正常使用要求。

6.2箱梁底板撓度測試結果及分析

本試驗采用Dp818靜態(tài)應變數(shù)據(jù)自動采集儀對各工況下各撓度測點的加載撓度和卸載后各點的撓度進行了測量。橋體結構的實際殘余撓度為卸載后的撓度值減去儀器的撓度初讀值。各測點的撓度值省略。

主橋每一工況下各控制截面的撓度校驗系數(shù)值在0.08～0.32之間，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》和《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的要求。綜合各控制截面的撓度值及撓度校驗系數(shù)的分析，說明該橋梁結構符合橋梁變形規(guī)律，處于彈性工作狀態(tài)，結構質量可靠，承載能力足夠。

7結論

(1)本次靜荷載試驗的荷載效率在合理范圍內，其試驗結果能夠反映結構現(xiàn)有的技術狀態(tài)。

(2)在試驗靜荷載作用下，各控制截面實測應變值均小于設計值，殘余應變較小，其應變系數(shù)滿足規(guī)范要求，結構強度滿足設計荷載要求。

(3)在試驗靜荷載作用下，各控制截面實測撓度值均小于設計值，較規(guī)范允許的撓度值小，殘余應變較小，其應變系數(shù)滿足規(guī)范要求，結構剛度滿足設計荷載要求。

【文獻標志碼】B

【中圖分類號】U446.1

[定稿日期]2015-08-28