大跨度鋼筋混凝土組合梁橋靜載測(cè)試及初應(yīng)力分析

曾雙雙

摘要 大跨度鋼筋混凝土組合橋梁頂推法施工后，成橋載荷測(cè)試比普通橋梁的成橋載荷試驗(yàn)更具有質(zhì)量控制意義。文章以某頂推法施工的組合梁橋靜載測(cè)試為例，梳理該靜載試驗(yàn)、有限元分析驗(yàn)證的相關(guān)過(guò)程、技術(shù)要點(diǎn)及分析結(jié)果。結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)梁橋的實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)優(yōu)于設(shè)計(jì)狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)與有限元分析驗(yàn)證方式，對(duì)大跨度鋼筋混凝土組合梁橋成橋質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估，具有一定工程檢測(cè)參考性。

關(guān)鍵詞 組合梁橋；大跨度；靜載測(cè)試；有限元驗(yàn)證；初應(yīng)力分析

中圖分類號(hào) U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0060-03

0 引言

鋼筋混凝土組合橋梁由耐剪件連接鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件，具有連接緊密、自身重量輕、載承性能好、形式美觀等特點(diǎn)?？缭焦坊蜩F路的鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，其跨越段施工多采取多點(diǎn)同步步履式頂推工法施工，即按照頂推操作設(shè)計(jì)，借助頂推裝備，將預(yù)制組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)推進(jìn)到目標(biāo)位置。但大跨度組合梁頂推施工面臨更嚴(yán)格的成橋初期結(jié)構(gòu)防過(guò)撓、防開(kāi)裂的質(zhì)量控制問(wèn)題，因此該橋型該工法施工下，成橋載荷試驗(yàn)必不可少，并且比普通橋梁的成橋載荷試驗(yàn)更具有質(zhì)量控制意義。

1 工程概況

某大跨度連續(xù)鋼箱－混凝土組合橋梁，橋面寬12.75 m，雙向4車道，公路I級(jí)載荷。梁平面位處直線段，順橋向位處縱坡+2.17%位置。1～7#墩采取雙柱橋墩設(shè)計(jì)，下設(shè)群樁基礎(chǔ)及承臺(tái)，兩岸均采取重力橋臺(tái)結(jié)構(gòu)。采用多點(diǎn)同步步履式頂推工法施工，考慮混凝土澆注對(duì)工期的影響以及頂推操作中易發(fā)生混凝土開(kāi)裂，所以采取先進(jìn)行槽型鋼梁頂推，待鋼梁就位后，再原位澆注混凝土。采取的多點(diǎn)同步步履式頂推施工方案如下：在橋梁其中一側(cè)的橋臺(tái)后配置鋼梁裝配區(qū)，用于鋼梁的起吊和拼裝。同時(shí)設(shè)置鋼梁接駁區(qū)域，用于拆卸鋼導(dǎo)梁。在制造、運(yùn)輸槽型鋼梁和布置頂推設(shè)備的同時(shí)，在裝配區(qū)布設(shè)鋼梁節(jié)段拼接焊場(chǎng)和頂推設(shè)備。鋼梁通過(guò)側(cè)便道運(yùn)至裝配區(qū)，裝配鋼導(dǎo)梁后，向前頂推2～3個(gè)節(jié)間。一節(jié)單體鋼梁長(zhǎng)度10 m，制作完成后，預(yù)先拼接好并通過(guò)便道運(yùn)達(dá)起吊作業(yè)位，由履帶吊或龍門吊提到拼接臺(tái)，與鋼導(dǎo)梁完成連接，然后向前頂推鋼梁。頂推到位以后，下落簡(jiǎn)支至永久支撐座，接著連續(xù)下落至臨時(shí)支撐座，其高度應(yīng)比永久支座高出25～30 cm。澆注連續(xù)墩頂兩側(cè)混凝土底板，其板寬5 m、板厚40 cm。底板與鋼箱梁相互結(jié)合后，再澆注跨中墩頂兩側(cè)橋面板。當(dāng)橋面板混凝土具有足夠強(qiáng)度后，可以繼續(xù)將支撐點(diǎn)降低25～30 cm。為方便導(dǎo)梁的操作和拆除，需要設(shè)置導(dǎo)梁接引平臺(tái)和拆卸操作平臺(tái)，同時(shí)利用履帶吊懸臂進(jìn)行導(dǎo)梁的拆除以及平臺(tái)和頂推設(shè)施的拆除。

2 大跨度鋼筋混凝土組合梁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)方案

為了確保大跨度鋼筋混凝土組合橋梁符合安全使用標(biāo)準(zhǔn)，橋梁建成后需要對(duì)其進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以保證其在實(shí)際使用狀態(tài)下的安全性。主要靜載試驗(yàn)內(nèi)容包括測(cè)試在試驗(yàn)載荷影響下的橋梁形變和應(yīng)力，特別是在橋梁最不利受力位置的撓度應(yīng)變測(cè)試[1]。

在最不利內(nèi)部應(yīng)力位置布置試驗(yàn)載荷，選取屬于跨中的第三跨和第四跨進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)JTG/T J21-01—2015公路橋梁載荷試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)載荷效率η應(yīng)滿足：

式中，μ——沖擊系數(shù)；η——靜力試驗(yàn)載荷效率；SS——試驗(yàn)載荷影響下，斷面對(duì)控制斷面變位或內(nèi)力最大理論效應(yīng)值；S——設(shè)計(jì)活載不計(jì)沖擊載荷作用時(shí)發(fā)生的斷面對(duì)應(yīng)控制面變位或內(nèi)力最不利理論效應(yīng)值。

采取三軸載重汽車實(shí)施試驗(yàn)加載，根據(jù)各個(gè)控制斷面的加載效率，并在滿足試驗(yàn)要求的前提下，盡可能控制加載車輛的數(shù)量。選用試驗(yàn)車總重為400 kN，其中中后軸總重為300 kN，前軸總重量為100 kN。考慮到中載影響下的結(jié)構(gòu)受力情況，在開(kāi)始靜載試驗(yàn)前，會(huì)根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)加載車輛進(jìn)行配重，并對(duì)每輛車輛編號(hào)，以保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中加載重量的變化較小。加載車輛的配重情況見(jiàn)表1所示。

靜載試驗(yàn)中采用三級(jí)分級(jí)加載。在試驗(yàn)加載期間，需要特別注意觀察測(cè)量點(diǎn)的形變情況，如果發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止加載。卸載采取一次性卸載完畢。正常情況下，試驗(yàn)加載應(yīng)該一直施加載荷直到額定值，但如果出現(xiàn)以下情況之一，應(yīng)立即停止加載并分析原因：

（1）測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力值突破規(guī)范允許值。

（2）測(cè)量點(diǎn)撓度超過(guò)規(guī)范允許值。

（3）裂隙超過(guò)限制值。

為了保證靜載試驗(yàn)加荷過(guò)程的安全性，在完成一級(jí)加荷后，應(yīng)對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)和形變點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)和觀察。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和理論分析，案例橋梁選擇跨度最大的橋跨進(jìn)行載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)采用最不利影響位置的加載方式，并采取公路-I級(jí)載荷作為設(shè)計(jì)載荷。加載時(shí)，每輛車的載重為400 kN，并采用三級(jí)加載方式。試驗(yàn)載荷效應(yīng)效率遵循表2規(guī)定[2]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)靜載評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)收系數(shù)、相對(duì)殘余應(yīng)變等指標(biāo)，評(píng)測(cè)橋梁建成后的性能表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)驗(yàn)收系數(shù)ζ用于評(píng)估建筑物的結(jié)構(gòu)安全性，當(dāng)ζ＜1.0時(shí)，表示工程實(shí)際情況好于理論設(shè)計(jì)情況。

式中，Se——經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量得出的彈性應(yīng)變或位移值；Ss——根據(jù)理論計(jì)算得出的位移值或應(yīng)變。殘余應(yīng)變的相對(duì)值ΔS越小，表明結(jié)構(gòu)越處于彈性狀態(tài)，規(guī)范要求ΔS不超過(guò)20%。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)靜載測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)靜載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在中等載荷工況下，進(jìn)行三級(jí)載荷，對(duì)最不利的位置進(jìn)行加荷試驗(yàn)，并對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變檢測(cè)是通過(guò)電阻應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，不能直接獲得測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力值。根據(jù)公式（6），可以通過(guò)測(cè)量點(diǎn)實(shí)際測(cè)量應(yīng)變值以及結(jié)構(gòu)部件的彈性模量計(jì)算獲得測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力值。發(fā)現(xiàn)在同級(jí)載荷加荷下，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值變化不大。表明在靜力載荷影響下，鋼筋混凝土組合梁同一斷面多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力值相近。這類橋梁具有較好的抗扭性能。從表3中可以看出，在中等載荷工況下，梁體左右兩側(cè)的撓度差別不大。在逐級(jí)加載的情況下，實(shí)際測(cè)量撓度相應(yīng)增加。三級(jí)加荷時(shí)，7處測(cè)量點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值較大。在左右兩側(cè)取均值后，實(shí)際測(cè)量最大撓度為?19.41 mm。

2.3.2 應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表3所示的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余應(yīng)變，可以看出相對(duì)殘余應(yīng)變的最小值為0.93%，出現(xiàn)在中載影響下的測(cè)量點(diǎn)Ⅲ，而最大值為1.87%，出現(xiàn)在中載影響下的測(cè)量點(diǎn)Ⅰ和測(cè)點(diǎn)Ⅳ。中性軸以下的測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量應(yīng)變值均低于理論值。箱梁測(cè)試斷面實(shí)際測(cè)量應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.78～0.82之間，符合公路橋梁載承能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程中的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)≤1.0和相對(duì)殘余應(yīng)變<0%的允許值要求，表明橋梁實(shí)際狀態(tài)好于理論狀態(tài)。

2.3.3 撓度檢測(cè)結(jié)果

該橋的第三跨和第四跨之間設(shè)置了九個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行撓度測(cè)試。在此工況下，橋梁的相應(yīng)殘余變形與結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)具體見(jiàn)表4～5所示。

數(shù)據(jù)顯示，在中等負(fù)載狀態(tài)下，梁體左右兩側(cè)的撓度差異不大，撓度值校驗(yàn)系數(shù)在0.55～0.91之間。盡管在橋墩處發(fā)生了殘余形變，但最大殘余變形僅達(dá)到18.00%。這滿足了公路橋梁載承能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程中撓度值校驗(yàn)系數(shù)≤1.00的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且相對(duì)殘余形變低于允許值20%，表明該橋在抗御變形方面的性能良好。在試驗(yàn)載荷影響下，橋梁測(cè)試斷面的撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)以及相對(duì)殘余撓度等指標(biāo)均滿足了公路橋梁載承能力檢測(cè)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)要求，顯示該橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足了公路-I級(jí)活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

3 有限元分析驗(yàn)證

3.1 有限元模型驗(yàn)證

采用有限元模擬進(jìn)行3級(jí)加載測(cè)試，得到了在同一斷面多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值相差不大的結(jié)果，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭性能。在1級(jí)加載下，應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值與理論值的差異不超過(guò)25%；在2級(jí)加載下，應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值與理論值的差異不超過(guò)40%；在3級(jí)加載下，應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值與理論值的差異不超過(guò)16%。由于應(yīng)變測(cè)量結(jié)果受到環(huán)境因素的較大影響，因此我們可以看到在3級(jí)加載下，應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值與理論值的吻合程度較好并且實(shí)際測(cè)量值均低于理論值。

在相應(yīng)的加荷工況下，垂向撓度值的實(shí)際測(cè)量值與理論值的對(duì)比如圖1所示。實(shí)際測(cè)量槽型鋼梁最大撓度值為?19.41 mm，并且實(shí)際測(cè)量值均低于理論值。在1級(jí)加荷撓度值實(shí)際測(cè)量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)比較測(cè)量點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)7有較大差異，其余測(cè)量點(diǎn)均在20%以內(nèi)。在2級(jí)加荷撓度值實(shí)際測(cè)量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)比較測(cè)量點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8有較大差異，其余測(cè)量點(diǎn)均在20%以內(nèi)。在3級(jí)加荷撓度值實(shí)際測(cè)量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)測(cè)量點(diǎn)7有較大差異，其余測(cè)量點(diǎn)均在20%以內(nèi)。由此可知，在分級(jí)加荷中，各級(jí)加荷下?lián)隙戎祵?shí)際測(cè)量值與理論值之間吻合較好，這也驗(yàn)證了模型的可靠性[3]。

3.2 初應(yīng)力分析

采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的有限元模型，模擬組合梁的初始應(yīng)力狀態(tài)。模擬分析結(jié)果顯示，混凝土在支座處的最大拉應(yīng)力較大，由支座處向橋梁跨度中心位置逐漸減小。該混凝土采用C50標(biāo)準(zhǔn)，軸心抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值是2.64 MPa。在試驗(yàn)載荷影響下，橋梁支撐座處存在開(kāi)裂隱患，預(yù)計(jì)開(kāi)裂范圍約占梁跨度16%～38%。槽型鋼梁的最大壓應(yīng)力?111.40 MPa，最大拉應(yīng)力107.90 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在支座處，隨著距離支座越遠(yuǎn)，應(yīng)力逐漸減小，直至跨中位置。該槽型鋼梁采用Q345標(biāo)準(zhǔn)，抗壓與抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值均為310 MPa，應(yīng)力水平在屈服值的36%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

以上所述，基于工程案例，介紹了綜合應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和有限元驗(yàn)證分析的大跨度鋼筋混凝土組合梁成橋質(zhì)量檢測(cè)分析技術(shù)。從靜載試驗(yàn)方案、現(xiàn)場(chǎng)靜載評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)靜載測(cè)試結(jié)果與分析等3個(gè)方面，介紹了現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)；從有限元模型驗(yàn)證、初應(yīng)力分析等2個(gè)方面，介紹了有限元分析驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)及分析成果。案例檢測(cè)分析顯示，橋梁各截面應(yīng)力及撓度均低于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)力和應(yīng)變分別為0.55～0.91和0.78～0.82，最大殘留應(yīng)變和殘留變形分別為1.87%和18.0%，橋梁實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)優(yōu)于設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)測(cè)值與理論值大多數(shù)相差不超過(guò)20%?，F(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)與有限元分析驗(yàn)證結(jié)合使用，有工程應(yīng)用參考意義。

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