5 跨鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋靜載試驗(yàn)與承載能力評估

曾勇 姜雨航 況楊 余滔 李強(qiáng)

1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 400074

2.重慶市涪陵區(qū)交通規(guī)劃與技術(shù)發(fā)展中心 408000

3.中冶建工集團(tuán)有限公司 重慶400084

引言

由于我國交通發(fā)展愈加迅速，各類型橋梁結(jié)構(gòu)在不同的地形地貌上得以廣泛使用［1-3］。鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋［4-6］區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁橋，同時擁有鋼構(gòu)橋質(zhì)量輕與鋼筋混凝土梁橋施工方便的優(yōu)點(diǎn)，并且解決了剛構(gòu)橋橋面板容易開裂的問題，在跨度較大地山區(qū)橋梁［7］中運(yùn)用廣泛。為保證此類型橋梁的可靠性，對其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的性能研究非常必要。靜力荷載試驗(yàn)［8］根據(jù)有限元模擬計(jì)算擬定測點(diǎn)，將靜載施加于已擬定的測點(diǎn)上，通過應(yīng)變片與水準(zhǔn)儀分別提取測點(diǎn)的應(yīng)力與位移，跟理論計(jì)算出的應(yīng)力值與位移值做比較，從而準(zhǔn)確判斷在荷載作用下的使用能力與工作性能。劉明東［9］基于傳統(tǒng)的荷載試驗(yàn)方法，提出實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)柔度矩陣方法，提高了對橋梁承載力評估的準(zhǔn)確性。曹小博［10］通過對鋼混疊合梁負(fù)彎矩區(qū)模型分析與理論計(jì)算，詳細(xì)地講述了鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋受彎承載力與彈性極限彎矩的計(jì)算方法。

本文以某鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯炕A(chǔ)，通過荷載試驗(yàn)，得到不同偏載工況下主跨測試界面的應(yīng)力應(yīng)變及位移，與由有限元分析［11］建立的理論模型計(jì)算值做計(jì)算處理，驗(yàn)證橋梁在荷載作用下的工作性能與承載能力。為同類型橋梁結(jié)構(gòu)評估提供試驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

山區(qū)基5 跨鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋。橋梁總長110.08m，橋面有橫縱坡，橫坡數(shù)值為雙向2%，縱坡數(shù)值為單向-0.744%，橋梁全寬8.9m。橋梁跨徑布置分別為3.04m（橋臺）＋16m ＋3 ×24m＋16m ＋3.04m（橋臺）。橋梁橫斷面布置分別為0.45m（欄桿）＋6m（行車道）＋2m（人行道）＋0.45m（欄桿）。下部結(jié)構(gòu)以柱式墩作為基礎(chǔ)，橋臺均使用柱式臺結(jié)構(gòu)。此橋設(shè)計(jì)汽車荷載為公路—Ⅱ級，人群荷載取3.5kN／m2。該橋布置如圖1所示。

圖1 鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋布置Fig.1 Layout of steel-concrete composite continuous girder bridge

2 靜力荷載試驗(yàn)

2.1 模型計(jì)算荷載

根據(jù)現(xiàn)有資料，參考文獻(xiàn)［12，13］利用有限元軟件MIDAS／Civil 2020 進(jìn)行模擬分析，演算時，鋼主梁模擬為梁單元，混凝土橋面板模擬為板單元。荷載類型主要選取車輛荷載與人群荷載。車輛荷載分為滿布于車道的均布荷載與作用于橋跨跨中的集中荷載，人群荷載為滿布于人行道的均布荷載，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015），車輛均布荷載取7.35kN／m，集中荷載取308kN，人群均布荷載取3.13kN／m。將荷載布置于最不利面上，并且考慮沖擊影響對橋梁結(jié)構(gòu)的作用。模型計(jì)算得到每跨主梁的位移值和應(yīng)變值，作為靜力試驗(yàn)的控制內(nèi)力依據(jù)［14］。有限元計(jì)算模型見圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model

2.2 荷載試驗(yàn)測試方法

荷載試驗(yàn)測試方法如下：

（1）撓度均使用測試分辨率為±0.01mm 的精密水準(zhǔn)儀測量，撓度測點(diǎn)布置于截面上下游兩側(cè)，各邊布置12 個測點(diǎn)。

（2）此橋主梁為鋼混疊合梁，故應(yīng)力測試截面應(yīng)布置于鋼梁底部，測量使用的應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變儀的測試分辨率為±1 ×10-6。全橋設(shè)置3個應(yīng)力測試截面。

（3）初步使用肉眼觀察測試截面裂縫情況，對較大裂縫處使用儀器測量縫寬。

2.3 測點(diǎn)布置

1.撓度測點(diǎn)

為研究加載靜力荷載后橋梁結(jié)構(gòu)的位移情況，考慮現(xiàn)場條件及橋梁橫坡2%、縱坡-0.744%的影響，在橋跨最不利荷載面上下游兩端分別布置10 個測點(diǎn)，每截面設(shè)置2 個測點(diǎn)。撓度測點(diǎn)立面和平面布置如圖3 所示。

圖3 撓度測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of deflection measuring points

2.應(yīng)變測點(diǎn)

應(yīng)力（應(yīng)變）測試截面位置由有限元分析模型計(jì)算確定，為避免局部加強(qiáng)點(diǎn)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，不在局部加強(qiáng)位置設(shè)置測試截面。詳細(xì)測試截面位置見表1 及圖4a，J1、J3 應(yīng)變測試截面布置及應(yīng)變片編號見圖4b，J2 應(yīng)變測試截面布置及應(yīng)變片編號見圖4c。應(yīng)變片系列、規(guī)格均相同。

圖4 應(yīng)變測試截面位置、 布置及編號Fig.4 Location，layout and numbering of strain test section

表1 應(yīng)變測試截面匯總Tab.1 Summary of strain test section

2.4 試驗(yàn)荷載

此次靜載試驗(yàn)選取三軸車作為靜力荷載，試驗(yàn)加載車型見圖5，詳細(xì)試驗(yàn)加載車規(guī)格見表2。

表2 加載車規(guī)格Tab.2 Loading car specifications

圖5 試驗(yàn)加載車型示意Fig.5 Schematic diagram of test loading vehicle

2.5 荷載布置

靜力荷載試驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格確認(rèn)每輛車的質(zhì)量，并按照試驗(yàn)要求確定各車輛排列位置，共組成3 類工況的加載，工況1 ～3 靜載布置如圖6所示。工況1 為J1 截面最大正彎矩左側(cè)偏載、J2截面最大負(fù)彎矩左側(cè)偏載，工況2 為J3 截面最大正彎矩左側(cè)偏載，工況3 為J1 截面最大正彎矩右側(cè)偏載、J2 截面最大負(fù)彎矩右側(cè)偏載。

圖6 各工況車輛布置Fig.6 Vehicle layout in various working conditions

2.6 試驗(yàn)荷載效率

本橋的加載方式為載重汽車，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及工作性能，試驗(yàn)荷載效率系數(shù)應(yīng)處于0.85 ～1.05 之間。詳細(xì)工況荷載效率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各工況荷載效率系數(shù)Tab.3 Load efficiency coefficient of various working condition

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 撓度測試結(jié)果

由有限元分析模型計(jì)算出的主梁撓度值，與在現(xiàn)場車輛加載實(shí)測的主梁撓度值相比，比值的大小可判斷橋梁撓度是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。由于工況2、3 數(shù)據(jù)展現(xiàn)的結(jié)論與工況1 較為類似，限于篇幅，只列出工況1 的數(shù)據(jù)情況。工況1 上、下游側(cè)撓度實(shí)測值與計(jì)算值對比見圖7。

圖7 工況1 上、 下游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測撓曲線對比Fig.7 Comparison of calculated deflection curves and measured deflection curves on the upstream and downstream sides of working condition 1

分析圖7 實(shí)測撓曲線與計(jì)算撓曲線的位置情況，可知計(jì)算撓曲線包絡(luò)住實(shí)測撓曲線，表明測試截面梁跨位移符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。實(shí)測撓曲線光滑連續(xù)，且與理論撓曲線曲率與變化率基本一致，表明工況1 橋梁撓度變化與有限元模型計(jì)算一致，橋梁結(jié)構(gòu)整體變形合理。

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果

在擬定的靜力荷載加載情況下，分別收集鋼-混疊合梁中鋼梁應(yīng)變與混凝土橋面板應(yīng)變數(shù)據(jù)值，由于工況2、3 數(shù)據(jù)比較結(jié)果與工況1 數(shù)據(jù)比較結(jié)果較為類似，限于篇幅，只展示工況1的數(shù)據(jù)情況。測試截面應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變的比較見表4、表5。

表4 J1 截面實(shí)測應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變的比較（工況1）Tab.4 Comparison of measured strain and calculated strain of J1 section（working condition 1）

表5 J2 截面實(shí)測應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變的比較（工況1）Tab.5 Comparison of measured strain and calculated strain of J2 section（working condition 1）

分析工況1 實(shí)測應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變可知，測試截面上下游兩側(cè)端部應(yīng)變很小，幾乎可以忽略不計(jì)。測試截面鋼梁上緣與混凝土板下緣實(shí)測應(yīng)變值跟計(jì)算應(yīng)變值差距較小，且實(shí)測應(yīng)變值小于計(jì)算應(yīng)變值，表明橋梁工作性能良好。校驗(yàn)系數(shù)處于0.54 ～0.95，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。依據(jù)文獻(xiàn)［15］，卸載后的殘余應(yīng)變處于合理范圍。

3.3 裂縫觀測結(jié)果

經(jīng)觀測，測試界面施加靜力荷載前后均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。

3.4 結(jié)構(gòu)剛度分析結(jié)果

為了更加便利地比較橋梁撓度實(shí)測值與計(jì)算值，用以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定，將各工況測試截面撓度變化匯總于表6。

由表6 可知，各工況理論模型計(jì)算撓度值大于靜力荷載試驗(yàn)實(shí)測撓度值，表明橋梁正常工作時位移正常。靜力荷載試驗(yàn)實(shí)測撓度最大增長量為11.5mm，為橋梁計(jì)算跨徑的1／2087，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。卸載后，殘余應(yīng)變最大值為17.7%，處于合理范圍。

表6 各工況測試截面撓度變化Tab.6 Changes in deflection of test sections under various working conditions

綜合分析，橋梁的正常工作性能良好，結(jié)構(gòu)剛度能得到保證。

3.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

為了更加便利地比較各測點(diǎn)鋼梁與混凝土板的應(yīng)力值與理論計(jì)算應(yīng)變值，用以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求，將各工況鋼梁與混凝土板應(yīng)變檢測結(jié)果匯總于表7。

由表7 可知，各工況測試截面鋼梁有限元模型計(jì)算應(yīng)力值大于靜力荷載試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)力值，且卸載后殘余應(yīng)變也在合理范圍之內(nèi)?；炷涟鍖?shí)測應(yīng)力值與鋼梁實(shí)測應(yīng)力值相比較小，最大拉應(yīng)力0.59MPa，最大壓應(yīng)力1.04MPa，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。

表7 測試截面應(yīng)力檢測結(jié)果匯總Tab.7 Summary of stress detection results of test section

綜合分析，橋梁受靜載作用應(yīng)力應(yīng)變值正常，處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能得到保證。

4 結(jié)語

本文通過對某鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋做靜力荷載試驗(yàn)，對比有限元模擬計(jì)算與靜載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，綜合各種因素得出以下結(jié)論：

1.加載靜力荷載后，各工況測試截面撓度最大值均小于有限元模型計(jì)算值，且撓度校驗(yàn)系數(shù)處于0.72 ～0.99 之間，在正常范圍之內(nèi)。卸載后，靜力荷載試驗(yàn)測得的最大殘余變形為17.7%，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）的要求。荷載試驗(yàn)實(shí)測撓曲線光滑連續(xù)，且與理論撓曲線曲率和變化率基本一致，橋梁結(jié)構(gòu)整體變形合理，正常工作性能良好，結(jié)構(gòu)剛度滿足相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)范規(guī)定要求。

2.加載靜力荷載后，各工況實(shí)測鋼梁與混凝土板應(yīng)力小于理論計(jì)算值，橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）要求。

3.靜力荷載加載前后，試驗(yàn)測點(diǎn)處未觀測到明顯裂縫。

綜上，可認(rèn)為橋梁工作性能良好，受力狀態(tài)合理，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）的要求。