大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力研究

馮作鵬

摘要 為保證大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力分析的全面性和可靠性，以水落河特大橋工程為例，采用靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)以及有限元建模的方法進(jìn)行大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力試驗(yàn)；計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余應(yīng)變、沖擊系數(shù)以及施工階段下的臨界荷載。試驗(yàn)結(jié)果表明：上述試驗(yàn)方法均能夠全面完成大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載能力分析，確定了橋梁結(jié)構(gòu)性能情況。

關(guān)鍵詞 大跨徑；懸臂澆筑拱橋；承載能力

中圖分類號(hào) U448文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0055-03

0 引言

懸臂澆筑指的是一種橋梁施工方法，其主要是在橋墩兩側(cè)搭建工作平臺(tái)，并從兩端開始，通過逐段的方式向跨中懸臂澆筑混凝土梁體，并且在澆筑過程中，需保證澆筑的平衡性[1]，同時(shí)在澆筑過程中逐段施加預(yù)應(yīng)力，以此保證澆筑后梁體的承載性。大跨徑懸臂澆筑拱橋則是采用懸臂澆筑施工工藝完成施工的拱橋，其拱圈或拱肋通常由混凝土或鋼材等材料構(gòu)成[2]；其特點(diǎn)是利用掛籃或吊裝系統(tǒng)，將拱圈或拱肋分成若干個(gè)節(jié)段，逐段澆筑或吊裝合龍，最終形成完整的拱橋結(jié)構(gòu)；該拱橋具備跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。隨著交通量的不斷增加，大跨徑懸臂澆筑拱橋施工后，其在應(yīng)用時(shí)的承載力尤為重要。但是大跨徑懸臂澆筑拱橋在施工過程中，其使用的施工材料、施工工藝、施工質(zhì)量等因素均會(huì)影響其施工后的承載力[4]。因此，開展大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力的研究，是分析橋梁結(jié)構(gòu)性能、使用壽命的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。

該文為研究大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力，以水落河特大橋橋梁工程為例，采用相關(guān)測(cè)試方法進(jìn)行承載力測(cè)試，以分析其承載情況。

1 大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力分析

1.1 工程概況

水落河特大橋橋梁采用左右幅分幅設(shè)置，左、右幅橋梁橋型布置均采用“（9×40）m簡(jiǎn)支T梁+335 m上承式鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋+（25×40）m簡(jiǎn)支T梁”；中間以橫隔板相連；拱上構(gòu)造由混凝土立柱、蓋梁組成拱上排架，立柱采用雙柱墩，蓋梁采用“T”型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。主橋橋面梁采用31.75 m跨鋼-組合梁，即“預(yù)制I形預(yù)應(yīng)力梁+波折鋼-現(xiàn)澆組合橋面板”的形式，I形梁間距為2.9 m、高2.15 m，波折鋼-現(xiàn)澆組合橋面板由底部的波折鋼板、混凝土板和鋼筋共同結(jié)合而成。引橋上部結(jié)構(gòu)均采用40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用雙柱墩，1～6#墩采用三柱墩，墩高大于21 m的墩柱采用空心薄壁墩，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用重力式U形橋臺(tái)。主橋I形梁及引橋T梁下均設(shè)置板式橡膠支座，拱圈及肋間橫隔板采用C80高韌性鋼纖維混凝土，主橋上部預(yù)制梁及引橋40 m T梁、主橋立柱頂蓋梁采用C50混凝土，主橋組合橋面板采用C50鋼纖維混凝土，拱上立柱及墊梁采用C40混凝土。

為分析該橋梁工程的承載力，進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)。該試驗(yàn)跨的立面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 承載能力試驗(yàn)的目的

對(duì)該橋梁工程進(jìn)行承載力試驗(yàn)，是通過相應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行橋梁在荷載狀態(tài)下的性能進(jìn)行分析和判斷，以了解橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)情況，并分析橋梁主體結(jié)構(gòu)控制截面應(yīng)力、撓度和開裂狀況等性能指標(biāo)[5]，判斷橋梁的結(jié)構(gòu)是否滿足工程標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、能否保證運(yùn)營(yíng)階段的安全性。該文主要從靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)以及有限元分析等三個(gè)方面進(jìn)行大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載能力分析。

1.2.1 靜載試驗(yàn)

無鉸拱靜載試驗(yàn)的主要試驗(yàn)工況是拱腳最大負(fù)彎矩工況、拱頂最大正彎矩工況；加載工況包括偏載加載工況和中載加載工況。應(yīng)變測(cè)試選擇試驗(yàn)跨拱腳截面、拱頂截面[6]；無鉸拱撓度測(cè)試選擇八分點(diǎn)截面、拱頂截面。

在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)的確定應(yīng)按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成；撓度測(cè)試應(yīng)選擇跨中最大正彎矩截面，同時(shí)測(cè)試橋跨八分點(diǎn)截面；撓度測(cè)試截面橫向各個(gè)拱肋布置1個(gè)點(diǎn)，縱向共7個(gè)截面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)14個(gè)。撓度測(cè)試的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

靜載試驗(yàn)采用的是載重車，每輛車荷載為400 kN。該文采用結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余應(yīng)力作為靜載試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[6]，兩者詳情如下所述：

（1）結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ξ。ξ是橋梁荷載試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果和理論結(jié)果的比值，其計(jì)算公式為：

式中，Se——實(shí)測(cè)彈性變形結(jié)果；Sc——理論彈性變形結(jié)果。

如果ξ<1，表示橋梁結(jié)構(gòu)承載力較好；反之則承載力較差。

（2）相對(duì)殘余應(yīng)變?chǔ)う?。Δχ是?shí)測(cè)殘余位移Sp和理論殘余位移Sq的比值，其計(jì)算公式為：

Δχ的值越小，表示橋梁的抗變形能力越佳，該文工程要求Δχ<20%。

1.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)是采取一定的措施，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，并測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的各種動(dòng)態(tài)參量[7]，如振型、阻尼比、固有頻率、行車沖擊系數(shù)、加速度或動(dòng)撓度等，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)橋梁承載能力的試驗(yàn)方法，其更接近橋梁自然應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況。

該文設(shè)置車輛在不同的設(shè)定車速下，通過拱橋橋面，測(cè)試車輛在橋面上行駛時(shí)主拱圈的動(dòng)位移曲線，并依據(jù)該曲線結(jié)果計(jì)算沖擊系數(shù)，其公式為：

式中，μ——設(shè)計(jì)的沖擊系數(shù)；Smax、Smean——測(cè)點(diǎn)的最大撓度值，前者對(duì)應(yīng)動(dòng)載作用下，后者對(duì)應(yīng)靜載作用下。

該文試驗(yàn)時(shí)采用的車速分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h。

1.2.3 有限元分析

為全面分析大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力，該文采用專用空間分析程序Midas Civil進(jìn)行建模計(jì)算分析，全橋共離散為2 947個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 316個(gè)梁?jiǎn)卧?。?gòu)建的大跨徑懸臂澆筑拱橋有限元模型如圖3所示：

模型的邊界條件設(shè)定：支座的模擬采用一般簡(jiǎn)支支撐，左側(cè)分別為DX、DY、DZ三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，右側(cè)分別為DY、DZ兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

構(gòu)建的有限元模型中，材料的相關(guān)參數(shù)如下所述：

（1）C80混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.80×104 MPa。

（2）C50混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.45×104 MPa。

（3）C40混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.25×104 MPa。

（4）瀝青混凝土，容重為24 kN/m3。

（5）橋面系：考慮“防水層+8 cm厚瀝青混凝土”。橋面鋪裝、欄桿計(jì)算時(shí)不考慮其對(duì)橋梁上抗彎剛度的貢獻(xiàn)，僅計(jì)入質(zhì)量影響，按每延米計(jì)入。

依據(jù)該模型分析大跨徑懸臂澆筑拱橋在不同澆筑施工階段下的承載能力，該文僅以其中的7個(gè)施工階段為例，如表1所示：

2 結(jié)果分析

2.1 靜載試驗(yàn)分析結(jié)果

依據(jù)靜載試驗(yàn)，獲取橋梁不同測(cè)點(diǎn)位置在荷載下的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。由于篇幅有限，結(jié)果僅呈現(xiàn)其中任意8個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果。

依據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果可知：在荷載作用下，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的結(jié)果均在0.74～0.86之間，橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在一定富余量，滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求；并且各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大殘余應(yīng)力為6.8%，均未超過20%的標(biāo)準(zhǔn)。因此橋梁截面受力狀態(tài)較好，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)分析結(jié)果

依據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)，獲取不同車速下的沖擊系數(shù)結(jié)果，并將實(shí)際計(jì)算結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷其動(dòng)載情況，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

依據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果可知：在不同的車速下，橋梁測(cè)試獲取的沖擊系數(shù)值均在理論值范圍內(nèi)，未超過0.05，最大沖擊系數(shù)結(jié)果僅為0.03。因此車輛通行對(duì)于橋梁的沖擊較小，橋梁的平穩(wěn)性良好。

2.3 有限元分析結(jié)果

依據(jù)有限元模型分析不同懸臂施工階段下的臨界荷載結(jié)果，并將該結(jié)果和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（大于4）進(jìn)行對(duì)比，分析其承載能力，測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

依據(jù)圖4分析結(jié)果可知：在不同懸臂施工階段下，臨界荷載系數(shù)均在42.3以上，遠(yuǎn)超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。因此橋梁施工過程中的穩(wěn)定較好，能夠最大限度保證橋梁的承載能力。

3 結(jié)論

拱橋的承載能力是保證橋梁穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，同時(shí)也是橋梁結(jié)構(gòu)性能的核心標(biāo)準(zhǔn)。大跨徑懸臂澆筑拱橋作為橋梁工程中的一種典型橋梁結(jié)構(gòu)，其在施工過程中監(jiān)控難度較大，并且容易受到環(huán)境影響。該文以實(shí)際工程為例，對(duì)大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載力進(jìn)行分析，判斷該橋梁的結(jié)構(gòu)性能，通過靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)軌蛉?、有效掌握橋梁的受力情況和工作狀態(tài)。

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