拓寬橋梁受力性能及靜載試驗(yàn)

高彥瀅 馬安財(cái)

（1.甘肅省平?jīng)龉肪轴轻脊饭芾矶?，甘肅平?jīng)?744000；2.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)提升公路與橋梁通行能力的要求越來越高，早期修建的公路由于路面太窄或橋梁承載能力偏低等，已不能滿足目前交通使用需求，為改善通行能力，需要對(duì)道路進(jìn)行加寬、對(duì)橋梁進(jìn)行拓寬。在對(duì)道路進(jìn)行加寬的過程中，橋梁的拓寬最為關(guān)鍵，拓寬后橋梁的實(shí)際承載能力能否滿足設(shè)計(jì)和使用要求，須通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證。橋梁荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁承載能力的重要手段。通過測試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下控制截面的應(yīng)力/應(yīng)變、撓度和裂縫等參數(shù)，評(píng)價(jià)橋梁的實(shí)際承載能力，新橋的荷載試驗(yàn)由于舊橋?qū)ζ浼s束，受力特性一版與不考慮加寬的有所不同。本文以青蘭高速公路平?jīng)鲋炼ㄎ鞫纹經(jīng)鑫魇召M(fèi)站廣場拓寬改造橋梁為研究對(duì)象，通過內(nèi)力分析，研究了既有部分對(duì)新建部分橋梁的內(nèi)力及變形性能的影響以及影響規(guī)律，并通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)研究了橋梁的承載能力、整體剛度，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，為該橋梁今后運(yùn)營階段的維修養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 工程概述

青蘭高速公路平?jīng)鲋炼ㄎ鞫纹經(jīng)鑫魇召M(fèi)站廣場拓寬改造橋梁，原橋于2011年12月建成通車，加寬段于2014年12月完成。舊橋上部采用1～20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，寬度為12.50 m，斜交角為20°。拓寬段位于舊橋左側(cè)，上部與原橋保持一致，采用1～20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，拓寬寬度變化范圍為12.6～13.4 m間。拓寬后，橋梁設(shè)計(jì)荷載與原橋保持一致，為公路Ⅰ級(jí)，新舊橋通過濕接縫澆筑連接。

拓寬橋梁橋面橫截面如圖1所示。

圖1 拓寬橋梁橫截面（單位：cm）

2 考慮舊橋部分對(duì)新拓寬橋梁受力性能影響

為了分析舊橋?qū)π峦貙挊蛄簷M向影響大小及規(guī)律，分別按照工況1和工況2兩種情況計(jì)算了新拓寬部分在不考慮舊橋橫向影響和考慮舊橋橫向影響的情況下主梁跨中截面的彎矩和撓度。

舊橋?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響如表1所示。

表1 舊橋?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響

由表1可知，主梁跨中截面彎矩，由偏載時(shí)的偏差從1號(hào)梁的2.8%減小到4號(hào)梁的23.7%，中載時(shí)，其偏差從1號(hào)梁的4.2%減小到4號(hào)梁的25.7%。考慮舊橋影響時(shí)，主梁彎矩均是減小的，并且距離舊橋越近，偏差越大，內(nèi)力減小越明顯。因此，舊橋梁對(duì)新加寬橋梁的受力和變形方面具有明顯影響，越靠近舊有橋梁的梁片，其影響越明顯，說明在進(jìn)行拓寬部分橋梁的有限元模型分析時(shí)，需要考慮舊橋的影響。

3 靜載試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)工況確定

為評(píng)價(jià)拓寬改造后結(jié)構(gòu)的承載能力和工作性能，對(duì)該橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，主要測試拓寬部分在試驗(yàn)荷載作用下各梁跨中應(yīng)變和撓度，用于評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)橋梁加寬改造效果。

按照梁格理論采用空間梁單元建立了橋跨結(jié)構(gòu)空間有限元分析模型，橋梁截面尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給定的尺寸確定，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)資料及規(guī)范取用。

根據(jù)規(guī)范[1]確定了兩種加載工況，工況1為跨中最大正彎矩偏載加載，工況2為跨中最大正彎矩中載加載。

按照按內(nèi)力等效原則，采用3輛總重300 kN（60 kN+120 kN+120 kN）的3軸自卸車模擬集中荷載進(jìn)行等效加載。

各工況加載效率如表2所示。

表2 靜載試驗(yàn)加載效率

由表2可知，加載效率系數(shù)滿足在0.95～1.05的規(guī)定，所擬定的加載工況和車輛布置方式加載有效。

3.2 測點(diǎn)布置

測試控制截面為主梁的跨中截面，在新拓寬部分控制截面（跨中）的4片梁底布置撓度測點(diǎn)和縱向應(yīng)變測點(diǎn)，在各片梁梁端支撐線截面各布置1個(gè)撓度修正測點(diǎn)。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中分3級(jí)進(jìn)行加載，分別記錄了各工況在各級(jí)加載及卸載穩(wěn)定后橋梁控制截面的撓度和應(yīng)變，觀測新、舊梁體澆筑部位及主梁控制截面混凝土裂縫產(chǎn)生以及擴(kuò)展的情況。分析實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，計(jì)算變形的彈性值、相對(duì)殘余值和校驗(yàn)系數(shù)。

4.1 撓度分析

最大試驗(yàn)荷載作用下主梁最大撓度實(shí)測值為3.50 mm，計(jì)算跨徑為19.5 m，實(shí)測最大撓度/計(jì)算跨徑＝1/5 571，小于計(jì)算跨徑的1/600規(guī)定。說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下，各片梁板的剛度滿足正常使用要求。

各工況下實(shí)測應(yīng)變均小于理論應(yīng)變，應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)分布在0.53～0.70，均小于1.0。實(shí)測應(yīng)變的分布趨勢與理論計(jì)算值的分布趨勢基本一致，撓度測試值變化規(guī)律與理論值吻合良好。試驗(yàn)荷載作用下，各片梁板的應(yīng)變相對(duì)殘余變形較小，相對(duì)殘余撓度的最大值為6.8%（工況1），小于20%的規(guī)定。撓度測試結(jié)果說明橋跨結(jié)構(gòu)整體變形狀況良好，結(jié)構(gòu)靜力剛度滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

各片梁板撓度測試結(jié)果即計(jì)算分析如表3所示。

表3 各片梁板的撓度測試結(jié)果及計(jì)算分析

4.2 應(yīng)變分析

各工況下實(shí)測應(yīng)變均小于理論應(yīng)變，應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)分布在0.63～0.74之間，均小于1.0；實(shí)測應(yīng)變的分布趨勢與理論計(jì)算值的分布趨勢基本一致，應(yīng)變在橫橋向分布較均勻；試驗(yàn)荷載作用下，各片梁板的應(yīng)變相對(duì)殘余變形較小，殘余比最大值為6.9%（工況2），小于20%的規(guī)定。應(yīng)變測試結(jié)果說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下處于線彈性工作狀態(tài)，有一定的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)安全。

4.3 裂縫觀測

在各個(gè)工況試驗(yàn)荷載的作用下，新、舊梁體澆筑部位及梁體混凝土均未出現(xiàn)可視裂縫，表明梁抗裂性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文研究了拓寬橋梁舊部分對(duì)新建部分內(nèi)力及變形性能的影響以及現(xiàn)場靜載試驗(yàn)。舊橋梁對(duì)新加寬橋梁的受力和變形方面具有明顯影響，越靠近舊橋梁的梁片，其影響越明顯，說明進(jìn)行拓寬部分橋梁有限元模型分析時(shí)，需要考慮舊橋梁的影響。通過荷載試驗(yàn)表明，新拓寬橋梁的實(shí)際承載能力、整體變形性能和抗裂性能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。