航運樞紐船閘壩頂交通橋靜載試驗研究

作者簡介：

潘 波（1986—），工程師，主要從事水運工程建設(shè)管理工作。

摘要：為保證某航運樞紐船閘工程的安全運行，文章參考公路橋梁工程等相關(guān)設(shè)計與試驗規(guī)范，對船閘工程壩頂交通橋進(jìn)行靜載試驗，利用Midas Civil及Civil Designer有限元軟件進(jìn)行建模及可視化加載方案設(shè)計，對試驗采集數(shù)據(jù)與有限元計算值進(jìn)行分析，評價橋梁現(xiàn)階段承載能力。結(jié)果表明：設(shè)計的加載方案合理，保證了試驗的安全可靠，在方案設(shè)計的等效荷載作用下，橋梁撓度、應(yīng)變等參數(shù)均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，橋梁承載能力滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：壩頂交通橋；有限元；荷載效率；撓度；應(yīng)變

中圖分類號：U641.3+6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 65 213 5

0 引言

航運樞紐交通橋通常利用船閘墩墻作為墩體架設(shè)，參照公路橋梁的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。船閘交通橋為兩岸車輛與行人過閘重要交通設(shè)施，為保證船閘工程的整體安全運行，對船閘交通橋進(jìn)行靜載試驗尤為重要［1］。而目前水運工程相關(guān)規(guī)范缺少對船閘交通橋靜載試驗具體的檢測依據(jù)與判定依據(jù)，傳統(tǒng)車輛布載方式效率低且對非控制截面內(nèi)力不可控，導(dǎo)致方案設(shè)計欠缺合理化，影響試驗的安全。本文以實際項目為依托，參考公路橋梁工程等相關(guān)設(shè)計與試驗規(guī)范要求［2-6］，聯(lián)合Midas Civil及Civil Designer軟件進(jìn)行布載方案設(shè)計，對某船閘交通橋的靜載試驗進(jìn)行詳細(xì)分析闡述，為類似項目試驗提供借鑒。

1 工程概況

某航運樞紐船閘工程壩頂交通橋采用單幅結(jié)構(gòu)，全長112.00 m，橋面寬度為6.00 m，全橋共3聯(lián)，橋跨組合為1×18 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）空心板+1×40 m鋼箱梁+3×18 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）連續(xù)空心板，1#跨、2#跨采用簡支后橋面連續(xù)，3#～5#跨采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。1#跨、3#～5#跨橫向布置5片空心板，混凝土強(qiáng)度等級為C50，空心板高0.95 m。2#跨上部結(jié)構(gòu)采用主梁為變高度鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼材為Q345D。標(biāo)準(zhǔn)梁寬7 m，梁頂設(shè)1.5%的橫坡，梁底橫向為直線，縱向為拋物線，梁高由1.557 m變化到1.050 m。箱梁頂、底板厚16 mm，腹板厚16 mm，頂?shù)装逶O(shè)縱向加勁肋，每隔2.5 m設(shè)一片橫隔板，橫隔板之間設(shè)一道腹板豎向加勁肋。箱梁采用全焊接結(jié)構(gòu)。

交通橋下部結(jié)構(gòu)的小樁號橋臺直接在壩頂澆筑蓋梁，大樁號橋臺采用柱式臺，1#～4#墩采用樁式墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

0#、5#橋臺及1#、2#橋墩采用C40型鋼模數(shù)式伸縮縫，臺后搭板長度為6 m。預(yù)應(yīng)力混凝土空心板采用GJZ板式橡膠支座。

橋面鋪裝采用10 cm厚C50混凝土+防水層+8 cm厚瀝青混凝土。橋面兩側(cè)各設(shè)一道鋼筋混凝土墻式護(hù)欄。

該橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）設(shè)計荷載等級：公路-Ⅱ級（JTG D60-2015）。

（2）設(shè)計行車速度：30 km/h。

（3）橋面寬度：0.5 m（欄桿）+2×3.0 m（車行道）+0.5 m（欄桿）。

為評價交通橋整體承載能力，本次靜載試驗選取壩頂交通橋1#跨（18 m簡支空心板）、2#跨（40 m簡支鋼箱梁）、3#～4#跨（3×18 m橋面連續(xù)空心板）。1#跨、2#跨、3#跨、4#跨最大正彎矩工況測試截面為A1～A4，3#墩支點位置最大負(fù)彎矩工況測試截面為Z3f。試驗控制截面布置見圖1。

2 靜載試驗方案設(shè)計

2.1 Midas Civil有限元建模

采用Midas Civil軟件［7-9］分別對交通橋的3個試驗聯(lián)分別建立有限元計算模型，其中簡支與連續(xù)空心板按“梁格法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，鋼箱梁采用單梁模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算并考慮實際預(yù)拱度。有限元模型如圖2～4所示，建模時采用以下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數(shù)。

（2）截面變形符合平截面假設(shè)。

由于橋面系防撞護(hù)欄對上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)不大，因此為簡化計算，不加入計算模型。根據(jù)以往檢驗工作經(jīng)驗，橋面鋪裝實際施工尺寸一般存在偏差，因此橋面鋪裝計入8 cm厚混凝土現(xiàn)澆層，但在結(jié)構(gòu)自振特性計算中考慮結(jié)構(gòu)其余2 cm厚的現(xiàn)澆混凝土、8 cm厚瀝青混凝土和防撞護(hù)欄質(zhì)量。

本次試驗控制荷載為設(shè)計荷載（即公路-Ⅱ級）。橋面凈寬為6.00 m，設(shè)計車道數(shù)為2車道，因此橫向按2車道布置汽車荷載，橫向車道布載系數(shù)分別為1.20、1.00。本次所有試驗跨所在橋聯(lián)最大跨徑為40 m，lt;150 m，因此不考慮縱向折減系數(shù)。根據(jù)有限元計算結(jié)果，簡支空心板、簡支鋼箱梁、連續(xù)空心板試驗聯(lián)第1階豎彎自振頻率分別為5.65 Hz、2.25 Hz、4.97 Hz，計算出沖擊系數(shù)μ分別為0.290、0.128、0.267。

2.2 可視化載荷車輛布置

本次試驗為交工驗收荷載試驗，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015），試驗荷載效率滿足應(yīng)介于0.85～1.05的要求。由于本次試驗橋?qū)拑H為7 m，橫向車輛間距較小，中載與偏載正彎矩計算結(jié)果接近，因此各試驗跨僅考慮偏載最不利工況。本次荷載試驗共采用4輛三軸載重汽車（如圖5所示），軸距和軸重見表1。

傳統(tǒng)布載方法［10-11］通過預(yù)設(shè)車輛荷載不斷調(diào)整車重、位置、車輛間距等，每次布載均需在軟件中進(jìn)行多次重復(fù)操作，且不能同時比較多種工況下等效彎矩大小，從而制定優(yōu)選方案，造成效率低及方案設(shè)計欠缺合理化。而采用Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯(lián)合方法進(jìn)行加載車方位布置，Civil Designer軟件通過對Midas Civil軟件計算的控制截面影響線進(jìn)行布載方案設(shè)計，在軟件中自由設(shè)置車重、車數(shù)、荷載分級和荷載效率范圍，自動計算合理的車輛布載方式，軟件交互界面可實時觀測橋體受力與變形情況，實現(xiàn)加載效率的可視化，最后將生成的分級加載工況導(dǎo)入Midas Civil軟件中得到相應(yīng)的分級加載試驗工況。

通過對車輛位置的動態(tài)調(diào)整，最終確定本次試驗的荷載效率范圍為：0.861～1.041，滿足規(guī)范要求，且工況3及工況5的布載方式相同，達(dá)到了一種布載方式檢驗多種工況的效果，節(jié)省了現(xiàn)場試驗時間。Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯(lián)合方法的可視化載荷車輛布置在很大程度上提高了方案設(shè)計效率的同時，也保證了試驗的可靠性與安全性。計算得到各試驗工況的試驗荷載效率見表2。

2.3 測試截面、測試內(nèi)容及測點布置

2.3.1 測試截面、測試內(nèi)容

本次壩頂交通橋靜載試驗對應(yīng)5種試驗工況共布置了5個測試截面：A1～A4和Z3f截面。其中A1～A4分別為1#～4#跨空心板及鋼箱梁最大正彎矩截面，即相應(yīng)工況的控制截面，考慮支座尺寸影響而實際無法在3#墩支點Z3截面布置空心板下緣應(yīng)變測點，所以未選取此截面為測試截面。為保證試驗效果，測試截面為Z3截面選擇布置在往大樁號向偏移1.50 m的Z3f截面。

試驗的測試內(nèi)容包括采集荷載作用下的梁體結(jié)構(gòu)在控制截面或輔助截面位置的應(yīng)變、撓度及支座壓縮情況。具體測試截面和測試內(nèi)容見表3。

2.3.2 測點布置

2.3.2.1 位移測點

試驗的位移測點分為撓度測點與修正支點沉降的支座壓縮測點。

依據(jù)表3，在空心板A1、A3、A4截面及鋼箱梁A2、四分點截面布置豎向撓度測點，采用數(shù)字水準(zhǔn)儀測量?？招陌逦灰茰y點布置于各片梁底板中線對應(yīng)的橋面處，每個截面布置5個測點，鋼箱梁位移測點布置于左右兩側(cè)，每個截面布置2個測點，全橋共21個測點。

支座壓縮測點布置于0#臺、1#～4#墩支座附近，采用位移傳感器測試。將傳感器固定于支座旁蓋梁或帽梁處，測量該處與梁底面的豎向相對位移值作為支座壓縮變形量。其中0#臺大樁號面、4#墩小樁號面各布置2個測點；1#、3#、4#墩小樁號面與2#墩、3#墩大樁號面各布置2個測點；2#墩小樁號面、1#墩大樁號面各布置3個測點。共布置18個測點。測點布置見圖6。

2.3.2.2 應(yīng)變測點

依據(jù)表3，在空心板及鋼箱梁A1～A4截面和Z3f截面梁底布置應(yīng)變測點，另外在每個控制截面的偏載側(cè)（左側(cè)）腹板外立面布置2個應(yīng)變測點，在試驗中即可根據(jù)腹板測點應(yīng)變數(shù)據(jù)判定梁體變形是否符合平截面假定，進(jìn)而判斷梁體在荷載作用下是否持續(xù)發(fā)生彈性變形，當(dāng)數(shù)值異常立即暫停試驗，保證試驗工作的安全。橋梁梁體應(yīng)變采用混凝土或鋼結(jié)構(gòu)電阻式應(yīng)變片測量，各測點均為單向測點，空心板A1、A3、A4截面每截面布置空心板底部及左側(cè)面共12個測點，Z3f截面布置空心板底部10個測點，鋼箱梁A2截面布置底部及左側(cè)面9個測點。本次應(yīng)變測點共布置55個。應(yīng)變測點布置見下頁圖7。

3 靜載試驗結(jié)果

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果

橋梁靜載試驗前需要對橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，檢查橋體結(jié)構(gòu)尺寸、外觀質(zhì)量、病害缺陷等，避免試驗對結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步破壞，保證試驗安全，而且因船閘交通橋結(jié)構(gòu)特殊性，還應(yīng)進(jìn)行船閘承重墩墻的外觀質(zhì)量和表面缺陷的檢查。

試驗前通過現(xiàn)場檢查，橋梁箱梁、橋臺、承重墩墻等主要結(jié)構(gòu)的尺寸符合設(shè)計要求，各構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)有混凝土破損，裂縫、漏筋等病害。

3.2 撓度、應(yīng)變測試結(jié)果及分析

工況2為2#跨鋼箱梁A2截面最大正彎矩偏載（偏左側(cè)）。本節(jié)以工況2為例對試驗測試應(yīng)變及撓度結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合規(guī)范要求綜合評價船閘交通橋靜載現(xiàn)階段承載能力。

3.2.1 撓度測試結(jié)果分析

通過數(shù)字水準(zhǔn)儀采集得到鋼箱梁控制截面及輔助截面的試驗撓度值，實測彈性撓度值計算撓度值的比值即為應(yīng)變校驗系數(shù)。試驗荷載全部卸載后持續(xù)監(jiān)測撓度值直至數(shù)值穩(wěn)定，獲得殘余撓度，殘余撓度為正值即認(rèn)定為不可恢復(fù)變形，殘余撓度與實測彈性撓度值的比值即為相對殘余撓度。試驗結(jié)果匯總見表4，截面撓度橫向分布曲線見圖8。

撓度測試結(jié)果顯示，試驗實測撓度值均小于模型計算值，左右兩側(cè)實測彈性撓度最大值均出現(xiàn)在跨中控制截面?？梢园l(fā)現(xiàn)，偏載側(cè)（左側(cè)）撓度值為16.73 mm，大于右側(cè)的12.39 mm，結(jié)構(gòu)撓曲符合偏載受力的特點；各測試點撓度校驗系數(shù)范圍為0.667～0.843，其中跨中截面校驗系數(shù)為0.684，實測撓度縱向變形及橫向分布正常，表明梁體整體受力性能良好；荷載卸載后相對殘余撓度率為1.61%，小于《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對殘余撓度率限值，說明結(jié)構(gòu)撓曲在卸載后能夠基本恢復(fù)彈性。

3.2.2 應(yīng)變測試結(jié)果分析

應(yīng)變結(jié)果計算分析與撓度分析類似，鋼箱梁各測點的應(yīng)變值、校驗系數(shù)、相對殘余應(yīng)變計算結(jié)果見表5及圖9（a），中性軸的位置計算結(jié)果見表6和圖9（b）。

圖9（a）的應(yīng)變測試結(jié)果顯示，跨中控制截面實測彈性應(yīng)變值沿偏載方向遞增，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，最大應(yīng)變值為79 με，符合結(jié)構(gòu)偏載受力的彈性變形特點，各實測應(yīng)變值均小于模型計算值，應(yīng)變校驗系數(shù)范圍為0.815～0.975，說明橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段仍有部分強(qiáng)度和剛度儲備。通過圖9（b）的中性軸位置分析可以發(fā)現(xiàn)，實測應(yīng)變梁高線性趨勢線分布與計算分布線基本擬合，說明試驗符合平截面假定理論，試驗中結(jié)構(gòu)均處于彈性變形。卸載待變形穩(wěn)定后的相對殘余應(yīng)變率為2.74%，小于《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對殘余應(yīng)變率限值，說明結(jié)構(gòu)變形在卸載后能夠基本彈性恢復(fù)。

3.2.3 裂縫觀測結(jié)果分析

在整個試驗加載過程中，近距離對試驗控制截面及承重墩墻的裂縫情況進(jìn)行巡檢，各部位未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生，表明本次靜載試驗未對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害。

4 結(jié)語

（1）壩頂交通橋各試驗橋跨在試驗荷載效率ηq為0.861～1.041的等效荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，實測應(yīng)變、撓度校驗系數(shù)均lt;1.0，卸載后結(jié)構(gòu)變形基本恢復(fù)，因此該壩頂交通橋試驗跨現(xiàn)階段滿足《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計荷載正常使用要求。由于應(yīng)變測試校驗系數(shù)最大值為0.975，接近1.0，說明該橋現(xiàn)階段仍有強(qiáng)度不足風(fēng)險，建議定期對該橋開展檢測與養(yǎng)護(hù)工作。

（2）采用Midas Civil軟件與Civil Designer軟件聯(lián)合方法進(jìn)行加載車方位布置，在滿足控制截面荷載效率的同時能夠?qū)Ψ强刂平孛鎯?nèi)力進(jìn)行動態(tài)可視化監(jiān)控，保證布載方案的科學(xué)合理性，很大程度地提高了方案設(shè)計工作效率，也保障了現(xiàn)場試驗安全。

（3）橋梁靜載試驗檢測作為最直接有效評價橋梁整體承載能力的檢測手段，在公路橋梁領(lǐng)域使用廣泛，但水運工程領(lǐng)域缺少相關(guān)試驗規(guī)范與依據(jù)。建議在水運工程質(zhì)量檢驗規(guī)范修編中，將交通橋靜載試驗流程規(guī)范化，進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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