3×35m連續(xù)鋼-混組合梁橋施工期受力性能的分析*

陳嘉琪，曹素功，傅俊磊，洪 華，田 浩

（1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311305）

鋼混組合結(jié)構(gòu)分別將抗拉性能強(qiáng)的鋼材和抗壓性能強(qiáng)的混凝土合理地用在構(gòu)件的受拉區(qū)及受壓區(qū)，以最大限度地追求結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性[1-4]。我國(guó)公路橋梁雖然規(guī)模龐大，但是鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁占比不足1%，而建成的公路鋼橋基本都是特大跨徑橋梁，常規(guī)中、小跨徑鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量極少，鋼結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁比例遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家[5]。當(dāng)前我國(guó)中小跨徑鋼-混凝土組合梁及一些新型組合結(jié)構(gòu)[6-7]在高速公路上的應(yīng)用逐漸增多，部分省級(jí)設(shè)計(jì)研究院開展了鋼結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用研究[8-9]，編制了連續(xù)鋼板組合梁上部通用圖，并依托實(shí)際工程進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

施工控制的目的是保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，并將最終成橋狀態(tài)下線形和應(yīng)力控制在容許偏差范圍內(nèi)。在鋼混組合梁施工監(jiān)控研究方面：樓金其[10]以一雙箱單室等截面鋼混組合梁橋?yàn)橐劳?，研究了其在施工階段滑移應(yīng)變發(fā)展規(guī)律及混凝土橋面板縱向和橫向應(yīng)變。王天禹[11]針對(duì)港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔采用的85m連續(xù)組合箱梁橋在整個(gè)施工過程中的整體線形和應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)控，并將施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與理論值進(jìn)行了對(duì)比，針對(duì)監(jiān)控過程中梁體下?lián)线^大的問題，提出施工監(jiān)控應(yīng)需注意的事項(xiàng)。李顥旭[12]對(duì)一5×35m連續(xù)箱型組合梁橋進(jìn)行了施工監(jiān)控研究，該橋施工中通過支點(diǎn)頂升來降低墩頂負(fù)彎矩的影響，將施工過程中采集到的線形和應(yīng)變與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

本文以一（3×35+3×35）m連續(xù)鋼板組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，為深入了解現(xiàn)澆橋面板連續(xù)鋼板組合梁在施工階段的受力狀態(tài)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。通過在試驗(yàn)橋跨埋設(shè)應(yīng)變傳感器，研究不同截面在不同工況下的應(yīng)變規(guī)律，并進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)。為今后此類橋梁的設(shè)計(jì)和施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

弁山大道分離立交橋位于申蘇浙皖高速公路新增湖州南太湖互通及連接線工程，中心樁號(hào)：K0+047.9，全橋共2聯(lián)：（3×35+3×35）m。橋梁立面及橫斷面如圖1所示。

圖1 弁山大道分離立交橋示意圖

2 施工階段應(yīng)力測(cè)試

2.1 監(jiān)控工況

選取弁山大道分離立交橋第二聯(lián)邊跨（第6跨）進(jìn)行施工階段應(yīng)力監(jiān)控，以鋼主梁安裝架設(shè)至橋墩作為初始狀態(tài)，依據(jù)施工順序，共設(shè)三個(gè)試驗(yàn)工況，分別為：工況一：澆筑邊跨（除去5#墩頂兩側(cè)各0.15L范圍）混凝土橋面板后；工況二：澆筑5#墩頂范圍內(nèi)混凝土后；工況三：瀝青面層鋪裝完成后。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

采用埋入式和表貼式應(yīng)變計(jì)，分別用于混凝土橋面板內(nèi)鋼筋和鋼主梁應(yīng)變測(cè)試。如圖2所示，A、B測(cè)點(diǎn)位于鋼板組合梁墩頂，C、D測(cè)點(diǎn)位于邊跨最大正彎矩截面；另外，在距5#墩頂0.15L截面埋設(shè)橋面板鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖2 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.3 施工監(jiān)控結(jié)果分析

2.3.1 組合截面應(yīng)力分布

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，橋面板澆筑后未參與受力狀態(tài)下（工況二），鋼主梁實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為68.9MPa（測(cè)點(diǎn)D上翼緣），相應(yīng)位置有限元計(jì)算壓應(yīng)力為104.9MPa；鋼主梁實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為69.9MPa（測(cè)點(diǎn)B上翼緣），相應(yīng)位置有限元計(jì)算拉應(yīng)力為100.51MPa。瀝青面層鋪裝完成后（工況三），鋼主梁實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力為74.2MPa（測(cè)點(diǎn)A下緣），相應(yīng)位置有限元計(jì)算壓應(yīng)力為109.63MPa；鋼主梁實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為91.9MPa（測(cè)點(diǎn)A上緣），相應(yīng)位置有限元計(jì)算拉應(yīng)力為122.9MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，且小于規(guī)范允許值270MPa。

2.3.2 橋面板應(yīng)力

選取邊跨0.15L截面邊梁和中梁橋面板縱向鋼筋測(cè)點(diǎn)E和F（縱橋向距測(cè)點(diǎn)A、B5m位置）進(jìn)行橋面板應(yīng)變測(cè)試。計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)測(cè)橋面板鋼筋最大拉應(yīng)力為11.8MPa（測(cè)點(diǎn)B），相應(yīng)的混凝土最大拉應(yīng)力1.92MPa，有限元計(jì)算拉應(yīng)力為0.82MPa；實(shí)測(cè)橋面板鋼筋最大壓應(yīng)力為30.9MPa（測(cè)點(diǎn)D），相應(yīng)的混凝土最大壓應(yīng)力5.02MPa，有限元計(jì)算壓應(yīng)力為0.96MPa?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值，零點(diǎn)漂移對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果影響較大。

3 成橋荷載試驗(yàn)

3.1 成橋荷載試驗(yàn)

3.1.1 測(cè)試截面、測(cè)點(diǎn)選擇

根據(jù)弁山大道分離立交橋（3×35）m連續(xù)鋼板組合梁活載內(nèi)力包絡(luò)圖，選取邊跨最大正彎矩截面（A截面）、近5#墩處截面（B截面）、中跨最大正彎矩截面（C截面）進(jìn)行測(cè)試。

位移測(cè)量控制截面為各測(cè)試跨最大正彎矩截面（A、C截面）。撓度測(cè)點(diǎn)布置在鋼主梁下翼緣，每個(gè)截面3個(gè)，共計(jì)6個(gè)。應(yīng)變測(cè)量控制截面為各測(cè)試跨最大正彎矩截面（A、C截面）及5#墩頂最大負(fù)彎矩截面（B截面）。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在橋面板下緣，鋼主梁上翼緣、腹板和下翼緣，每個(gè)截面31個(gè)，共計(jì)93個(gè)。

3.1.2 試驗(yàn)荷載

按照橋梁設(shè)計(jì)荷載等效換算靜載試驗(yàn)加載方式和加載數(shù)量。經(jīng)計(jì)算確定靜載試驗(yàn)共需用380kN（車重+荷重）載重汽車6輛。前軸重70kN，雙后軸重310kN。試驗(yàn)前對(duì)每輛車都嚴(yán)格過磅，記錄下各輛車的實(shí)際總重、軸重和軸間距。

3.1.3 試驗(yàn)工況

弁山大道分離立交橋靜載試驗(yàn)加載工況設(shè)計(jì)如下：工況一：邊跨最大正彎矩，橫橋向中載；工況二：邊跨最大正彎矩，橫橋向偏載；工況三：中跨最大正彎矩，橫橋向中載；工況四：中跨最大正彎矩，橫橋向偏載；工況五：（5#墩）墩頂附近負(fù)彎矩，橫橋向偏載。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

以工況一（A截面中載）和工況四（C截面偏載）為例，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的試驗(yàn)荷載作用下，弁山大道分離立交橋各工況下鋼主梁底緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.82~1.10；因本橋主梁為鋼結(jié)構(gòu)，變異性較小，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.01%，殘余應(yīng)變較小，說明結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。

（2）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的試驗(yàn)荷載作用下，弁山大道分離立交橋各工況下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)范圍為1.04~1.27；略大于應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，因本橋鋼主梁與橫梁采用螺栓連接，故撓度校驗(yàn)系數(shù)偏大。最大相對(duì)殘余變位為2.13%，殘余變形較小，說明結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。

綜合分析表明，試驗(yàn)跨在設(shè)計(jì)荷載（公路-I級(jí)）作用下，處于彈性工作狀態(tài)，其剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)工況

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：該橋脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試的主要項(xiàng)目為橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型及阻尼比。（2）行車（無障礙）試驗(yàn)：動(dòng)載試驗(yàn)用一輛載重汽車（重380kN）在不同車速時(shí)的跑車試驗(yàn)，跑車時(shí)速定為20km、30km、40km。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）頻率及阻尼比分析結(jié)果。弁山大道分離立交橋動(dòng)力試驗(yàn)實(shí)測(cè)基頻為2.783Hz，較理論計(jì)算值高，表明實(shí)測(cè)結(jié)果反映的結(jié)構(gòu)豎向剛度比理論計(jì)算反映的結(jié)構(gòu)剛度大，試驗(yàn)跨整體動(dòng)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)振動(dòng)時(shí)域曲線衰減的分析，試驗(yàn)跨結(jié)構(gòu)阻尼比0.019，處于正常范圍。

（2）沖擊系數(shù)分析結(jié)果。通過對(duì)無障礙行車試驗(yàn)采集動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析車輛以不同時(shí)速過橋時(shí)的動(dòng)應(yīng)變曲線，得出行車速度為20km/h、30km/h和40km/h時(shí)，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)平均值為1.047，低于規(guī)范方法計(jì)算值1.150。

4 結(jié)論

（1）施工階段墩頂負(fù)彎矩鋼主梁最大拉應(yīng)力為91.9MPa，邊跨橋面板鋼筋最大壓應(yīng)力為30.9MPa；鋼主梁應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果均小于有限元分析結(jié)果，且小于規(guī)范限值，橋面板應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果大于有限元分析結(jié)果。

（2）在相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的試驗(yàn)荷載作用下，該橋各工況下鋼主梁底緣應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和撓度校驗(yàn)系數(shù)在正常范圍內(nèi)，最大相對(duì)殘余應(yīng)變和最大相對(duì)殘余變位分別為9.01%和2.13%。表明試驗(yàn)跨在設(shè)計(jì)荷載作用下，處于彈性工作狀態(tài)，其剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）試驗(yàn)跨的實(shí)測(cè)基頻較理論計(jì)算值高，結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)阻尼比處于正常范圍；實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小于理論值。