匝道橋荷載試驗方案設(shè)計

于明策，劉進(jìn)朝，榮文濤，陳 艷

(1.濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院，山東 濰坊 272067；2.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206;3.山東省交通運輸行業(yè)公路工程材料教學(xué)研究實驗室，山東 濰坊 261206)

1 工程概況

寧武高速A匝道橋，橋孔分兩聯(lián)布設(shè)，布置為3×20 m+3×20 m，全長120.0 m。設(shè)計荷載為公路—Ⅰ級。主橋各聯(lián)為3×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁連續(xù)梁橋，橋梁中線曲率半徑為78.5 m控制斷面梁高1.5 m。箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面為單箱三室直腹板，箱梁頂板寬度為15.5 m，底寬為12.5 m，箱梁梁體兩翼板懸臂長度為1.5 m。主橋下部：主橋3#～6#墩采用箱形墩、樁基礎(chǔ)。橋面布置為0.5 m(防撞欄)+6.75 m(行車道)+1 m(波形欄)+6.75 m(行車道)+0.5 m(防撞欄)。典型孔跨布置如圖1所示，主梁橫斷面如圖2所示。

圖1 第4～6孔橋型布置示意圖(單位:cm)

圖2 匝道橋橫斷面示意圖(單位：cm)

2 荷載試驗?zāi)康?/h2>

(1)檢查施工質(zhì)量、檢驗工程設(shè)計、確定橋梁可靠性。

(2)驗證橋跨設(shè)計合理與否，為設(shè)計的進(jìn)步與改進(jìn)積累經(jīng)驗。

(3)直觀判斷橋跨結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下的實際情況，評價其承載能力及工作性能。

(4)通過動載作用了解橋梁基頻及其他階次頻率，用以判斷結(jié)構(gòu)的固有振動特性及動載性能。

3 試驗內(nèi)容

3.1 靜載內(nèi)容

(1)試驗荷載下主梁控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變。

(2)試驗荷載下主梁相關(guān)控制截面的豎向撓度。

以上試驗可確定應(yīng)變及撓度校驗系數(shù)，從而判定橋梁的承受設(shè)計荷載的能力以及橋梁剛度的好壞。

3.2 動載內(nèi)容

可分別在橋面無障礙和有障礙兩種情況下進(jìn)行不同速度的跑車試驗，從而拾取測試點動力參數(shù)，主要內(nèi)容有。

(1)通過拾震儀測定橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率。

(2)通過動應(yīng)變計拾取橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下耦合效應(yīng)，從而獲取橋梁結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力、沖擊系數(shù)等參數(shù)。

4 靜載試驗

根據(jù)匝道橋施工圖及現(xiàn)場外觀檢查選擇第二聯(lián)作為試驗對象。利用midas Civil建立帶有曲率半徑的有限元模型，如圖3所示，通過運算得橋跨結(jié)構(gòu)的活載彎矩包絡(luò)圖和位移包絡(luò)圖，如圖4所示。根據(jù)圖4選擇3個測試截面，分別為：位于第6跨0.4L處的Ⅰ-Ⅰ斷面、位于5#墩墩頂?shù)蘑?Ⅱ斷面和位于第5跨跨中的Ⅲ-Ⅲ斷面。

圖3 midas空間分析模型圖

圖4 內(nèi)力計算示意圖

4.1 測點布置

(1)應(yīng)變測點

箱梁應(yīng)變測點的布設(shè)：選擇在箱梁底板及腹板處布置應(yīng)變測點，沿縱橋向布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ三個測試界面上(其中Ⅱ-Ⅱ斷面布設(shè)于緊鄰5#墩附近)，每個斷面布置9個應(yīng)變測點粘貼應(yīng)變片，如圖5所示?？紤]溫度變化對應(yīng)變測試帶來的影響，可在每個測試斷面的位置布置一個溫度補(bǔ)償片。

圖5 應(yīng)變片測點布設(shè)示意圖(單位：cm)

(2)撓度測點

撓度的測設(shè)可在梁底粘貼撓度計或在橋面用高程儀器測量?？紤]本橋?qū)嶋H情況，選用通過全站儀或精密水準(zhǔn)儀觀測測試斷面測點的豎向變位。撓度測試斷面選擇第6跨0.4L截面、第5跨跨中截面，為消除橋墩變位影響和支座變位對撓度測設(shè)的影響可于4#墩、5#墩、6#墩墩頂截面布設(shè)墩頂撓度測點，如圖6所示。沿測試斷面橫向于護(hù)欄內(nèi)側(cè)各布置1個撓度測點。

圖6 撓度測點縱橋向布置示意圖(單位：cm)

4.2 試驗工況及加載位置

加載車輛為三軸車，每輛400 kN，前中后軸間距分別為3.6 m、1.4 m。

(1)加載工況

按各控制截面最不利效應(yīng)進(jìn)行布載，共分6種試驗加載工況，如圖7所示，6種工況分別為：

圖7 試驗荷載縱橋向位置布置示意圖(單位：cm)

工況1：縱橋向按Ⅰ-Ⅰ截面，中載。

工況2：縱橋向按Ⅰ-Ⅰ截面，偏載。

工況3：縱橋向按Ⅱ-Ⅱ截面，中載。

工況4：縱橋向按Ⅱ-Ⅱ截面，偏載。

工況5：縱橋向按Ⅲ-Ⅲ截面，中載。

工況6：縱橋向按Ⅲ-Ⅲ截面，偏載。

以上6種工況中，均為除工況5按單排四輛加載車中載對稱布設(shè)外，其他5種工況均按單排兩輛加載車布設(shè)。

4.3 加載效率計算

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》規(guī)定，靜力試驗荷載加載效率η取值范圍為0.95≤η≤1.05。此處

η=Sstat/(S×δ)其中：Sstat為試驗荷載作用下的變位或力的計算值；S為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下變位或力的計算值；δ為設(shè)計取用的動力系數(shù)。

經(jīng)計算各工況下的加載效率見表1。

表1 各工況加載效率

由表1知，6種工況下的加載效率均滿足規(guī)范要求。

5 動載實驗

動載試驗同時測量應(yīng)力和撓度最大動態(tài)增量。

5.1 測點布置

(1)在Ⅰ-Ⅰ截面的路面上布置一個動應(yīng)變計進(jìn)行動應(yīng)變的測設(shè)，可得其時程曲線，以便計算沖擊系數(shù)。

(2)緊鄰動應(yīng)變測點處布設(shè)一拾震儀， 可分析主梁在載重車輛不同速度通過時的振動響應(yīng)，以識別其前3階豎向振動參數(shù)。

5.2 試驗工況

動力試驗工況：載重汽車在有障礙和無障礙條件下勻速通過試驗跨，測試其動應(yīng)變及振動響應(yīng)參數(shù)。根據(jù)實際情況，本次擬定：

工況1：測試車以30 km/h勻速通過全橋。

工況2：測試車以40 km/h勻速通過全橋。

工況3：測試車以50 km/h勻速通過全橋。

考慮到行車安全，橋面障礙采用楔形橡膠條模擬。

6 結(jié) 論

由于匝道橋帶有較小曲率半徑，其荷載試驗方案建模不能以簡單的單梁法進(jìn)行計算，通過梁格法建立模型，考慮最不利斷面確定測試斷面，并給出6個工況的加載方式，確定了滿足加載效率的靜載試驗方案與滿足測設(shè)動力響應(yīng)的動載方案，可為同類橋的荷載試驗方案的制定提供參考。