高速公路等截面多跨連續(xù)梁橋極限承載力試驗研究

摘要 為提高梁橋穩(wěn)定性測試效果，文章在等截面多跨的背景下開展公路橋梁的極限承載力測定研究。首先，部署對應(yīng)的加載處理條件，分析不同工況，明確具體的極限承載測試標(biāo)準(zhǔn)；然后，通過對比多跨的最大正彎矩和殘余應(yīng)力，分析其在極限狀態(tài)下的承載情況。測試結(jié)果表明，6個測點(diǎn)最終的承載值均可達(dá)到10t/m2以上，說明此次選定的H高速公路在可控的加載范圍內(nèi)，重量、加載受力面積及橋梁多跨的最大正彎矩比均成正向關(guān)系，測試結(jié)果較好。

關(guān)鍵詞 高速公路；等截面；多跨連續(xù)梁橋；極限承載；承載力計算；橋梁設(shè)計

中圖分類號 TU399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0131-03

0 引言

在現(xiàn)代社會中，交通網(wǎng)絡(luò)的完善是經(jīng)濟(jì)水平的重要標(biāo)尺。高速公路作為城市間的紐帶，其連續(xù)梁橋因跨越遠(yuǎn)、影響小而廣泛采用。該類橋梁的內(nèi)部穩(wěn)定性和安全性是保障交通順暢的核心[1]。多跨連續(xù)梁橋作為常見類型，其極限承載力評估尤為重要，關(guān)乎橋梁安全壽命。然而，承載力計算復(fù)雜且受材料變異、施工誤差等不可控因素的影響[2]。在該背景下，該文針對高速公路等截面多跨連續(xù)梁橋進(jìn)行極限承載力的試驗研究，通過科學(xué)方法結(jié)合工程實際，深入分析支撐結(jié)構(gòu)與點(diǎn)位，判斷疲勞、裂縫等損傷，以精確評估承載力，為橋梁安全評估與加固設(shè)計等提供堅實依據(jù)。

1 工程情況及實驗準(zhǔn)備

當(dāng)前主要是對H區(qū)域的高速公路多跨連續(xù)橋梁極限承載力進(jìn)行計算與分析。主橋橋長設(shè)置為165 m，橋?qū)挒?.5 m，其中分隔帶寬度為0.65 m。為確保最終測試結(jié)果的真實可靠，采用20 m+3×30 m+3×20 m的方式進(jìn)行主橋設(shè)計，周圍設(shè)定8跨簡支T梁橋，為更好地保證建設(shè)的穩(wěn)定，還需要建設(shè)15～20 m的鋼筋混凝土內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)[3]。具體的結(jié)構(gòu)圖見圖1所示：

圖1主要是對H區(qū)域高速公路多跨連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析。該橋梁采用階段式建設(shè)，所以各區(qū)域的承載力必須保持一致才能確保荷載效果[4]。預(yù)設(shè)橋梁設(shè)計荷載為汽-20級、掛-100，并增設(shè)橋墩進(jìn)行過渡支撐，實現(xiàn)基礎(chǔ)的穩(wěn)定環(huán)境[5]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)明確該橋梁的覆蓋范圍，并在每一個跨度區(qū)域設(shè)置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相搭接，形成循環(huán)式的監(jiān)測環(huán)境[6]。準(zhǔn)備測試所用的車輛、承載檢測裝置及測試輔助平臺等，完成對基礎(chǔ)測試的準(zhǔn)備工作。

2 實驗方法與過程

結(jié)合上述的測定與驗證，標(biāo)定出當(dāng)前的主梁，開展測試。此次測試內(nèi)容主要包括試驗荷載、梁體撓度、極限承載力、橋面板裂縫等。針對梁體的最大應(yīng)變分布情況，使用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變綜合測試儀采集信息，并進(jìn)行匯總整合，以待后續(xù)使用。

首先對主梁的撓度進(jìn)行測定計算，其計算公式如下：

（1）

式（1）中，H——主梁的撓度（m）；λ——受力范圍（m2）；U——受力點(diǎn)位；D——重疊位置（m）；ρ——基礎(chǔ)荷載值（kN）。結(jié)合當(dāng)前測定，實現(xiàn)對主梁的撓度的測算。

然后采用靜載的方式完成梁體承載能力的測定，選擇汽-20級、掛-100作為測試輔助，依據(jù)主梁撓度完成主梁變測點(diǎn)的布設(shè)，確定荷載效率系數(shù)為0.85～1.25[7]。選定4個基礎(chǔ)工況，具體見表1所示：

表1主要是對測試基礎(chǔ)工況環(huán)境的設(shè)定。在此基礎(chǔ)上，針對不同的工況條件，進(jìn)行測試荷載條件的設(shè)定。按荷載等效的原則進(jìn)行布載和處理，設(shè)定試驗加載單車的總重為545 kN，共設(shè)置２輛。需要注意的是，在進(jìn)行試驗前，應(yīng)對現(xiàn)場稱重，并結(jié)合當(dāng)前的要求增加加載車輛的軸重，軸重稱重誤差應(yīng)控制在±3.2 kN。測定環(huán)境設(shè)置情況如圖2所示：

基于此，還需要調(diào)整測試的指標(biāo)和數(shù)值，具體見表2所示：

表2主要是對測試數(shù)值與參數(shù)的設(shè)置，至此基本實現(xiàn)對測試環(huán)境與參照物的設(shè)定。以此為基礎(chǔ)，設(shè)置3個加載階段，分別如下：

（1）加載階段一：首先使用測試車輛1進(jìn)行加載。根據(jù)橋梁的跨度和預(yù)定的測試點(diǎn)位置，精準(zhǔn)地確定測試車輛1的初始停放位置，其初始試驗內(nèi)力為623.52 kN·m；然后嚴(yán)格控制測試車輛1的停放位置，確保精準(zhǔn)達(dá)到約850.24 kN·m的試驗內(nèi)力。

（2）加載階段二：在加載階段一的基礎(chǔ)上，增加測試車輛2進(jìn)行聯(lián)合加載。根據(jù)前一階段的測試結(jié)果，精細(xì)調(diào)整兩輛測試車輛的停放位置，使試驗內(nèi)力逐漸逼近1 099.27 kN·m；通過精確控制兩輛測試車輛的分布，逐步增加內(nèi)力，同時持續(xù)監(jiān)測橋梁的撓度和變位情況，確保測試的安全性和準(zhǔn)確性。

（3）加載階段三：繼續(xù)使用測試車輛1和測試車輛2進(jìn)行加載。選擇在橋梁跨中的關(guān)鍵位置進(jìn)行單點(diǎn)的集中加載，以模擬極端的荷載情況；精準(zhǔn)控制兩輛測試車輛的加載，確保試驗內(nèi)力達(dá)到預(yù)定的1 250.24 kN·m左右，同時高度關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以全面評估其承載能力。

以上述為基礎(chǔ)，測試不同工況下的彎矩布載情況。此時，車輛在選定的區(qū)段中行駛時，測算出多跨的最大正彎矩，其計算公式如下：

（2）

式（2）中，Q——多跨最大正彎矩（kN·m）；κ——預(yù)設(shè)荷載值（kN）；——偏載值（kN）；λ——截面面積（m2）；r——加載值（kN）。針對各個區(qū)段得出的多跨最大正彎矩，判定分析此時橋梁承載的偏載狀態(tài)，并對該區(qū)域做出標(biāo)定。隨后，在等截面的范圍內(nèi)，對當(dāng)前的橋梁布載狀態(tài)進(jìn)行分析，車輛將以不同的重量在橋面上行駛，測定其運(yùn)行時的橋梁受力狀態(tài)，判定分析對應(yīng)的應(yīng)力變化，同時計算殘余應(yīng)力，公式如下：

（3）

式（3）中，——?dú)堄鄳?yīng)力（MPa）；λ——截面重點(diǎn)受力區(qū)域（MPa）；?——正彎矩差（kN·m）；n——預(yù)設(shè)的受力點(diǎn)位，δ——重復(fù)荷載位置。結(jié)合當(dāng)前測定，對各個橋梁區(qū)段的殘余應(yīng)力、多跨最大正彎矩進(jìn)行組合判定，分析極限受力狀態(tài)下橋梁自身的基礎(chǔ)承載情況。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基礎(chǔ)的承載狀態(tài)預(yù)設(shè)對應(yīng)的極限標(biāo)準(zhǔn)和測試條件，見表3所示：

表3主要是對極限狀態(tài)下等截面連續(xù)梁橋承載條件數(shù)值的設(shè)定。接下來，針對等截面的覆蓋范圍，進(jìn)行受力點(diǎn)的調(diào)整。這部分主要隨機(jī)設(shè)定6個不同的測點(diǎn)，每個測點(diǎn)的位置及受力的區(qū)域均重疊，這樣可以確保測試結(jié)果的真實可靠。接下來，在梁體不同測點(diǎn)上布置若干典型截面的電阻應(yīng)變片，量測UHPC頂?shù)酌鎽?yīng)變和層應(yīng)變、鋼梁上下翼緣應(yīng)變、腹板應(yīng)變及縱向鋼筋應(yīng)變，測點(diǎn)分析極限狀態(tài)下的荷載情況，計算此時的荷載比，公式如下：

（4）

式（4）中，——荷載情況（kN）；π——受力值（MPa）；——受力單元截面；B——受力點(diǎn)；——校驗系數(shù)。結(jié)合當(dāng)前測定，荷載比的差異主要表明當(dāng)前受力面積是否處于均衡狀態(tài)，測定各工區(qū)區(qū)段的荷載比在6.5以上時，計算所選定測點(diǎn)的承載力，其計算公式如下：

（5）

式（5）中，C——承載值（kN）；G——核心受力范圍（m2）；——重疊受力范圍（m2）；μ——核心承載點(diǎn)；ψ——應(yīng)力變化比（MPa）。結(jié)合上述測定分析，對得出的數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

3 實驗結(jié)果分析

首先分析高速公路多跨連續(xù)梁橋加載全過程的荷載與跨中位移的變化情況，其曲線如圖3所示：

從圖3可以看出，跨中荷載-位移曲線存在2個較為明顯的特征點(diǎn)，開裂點(diǎn)（A）和縱向鋼筋屈服點(diǎn)（B）。因此，可將整個試驗過程大致分為3個階段，具體分析如下：（1）線彈性階段：試驗初期，試驗梁跨中位移隨荷載成線性增長，荷載-位移曲線的斜率較大，結(jié)構(gòu)剛度基本無變化，試驗梁處于線彈性受力階段。（2）裂縫開展階段：當(dāng)試驗荷載達(dá)到850.24 kN·m時，跨中區(qū)域UHPC橋面板上緣出現(xiàn)寬度為0.04 mm的裂縫；繼續(xù)加載，試驗梁結(jié)構(gòu)剛度有一定程度的降低，UHPC橋面板的上緣跨中向梁端產(chǎn)生更多裂縫，裂縫寬度增長較為緩慢，最大裂縫寬度不超過0.24 mm。（3）屈服階段：當(dāng)荷載達(dá)到1 099.27 kN·m后，荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，斜率大幅降低，說明縱向鋼筋達(dá)到屈服，試驗梁進(jìn)入屈服階段，跨中區(qū)域的主裂縫發(fā)展迅速，梁體撓度不斷增加；荷載增加至1 250.24 kN·m時，UHPC中鋼纖維被拔出，加載點(diǎn)處鋼梁的上翼緣受拉屈服、下翼緣及腹板受壓屈服，結(jié)構(gòu)失效。

然后，結(jié)合實際的極限承載力檢測進(jìn)行分析，在3個不同的加載階段得出最終的測試結(jié)果，見表4所示：

表4主要是對測試結(jié)果的分析，在選定的6個測點(diǎn)中，經(jīng)過3個加載階段，最終得出的承載值均可以達(dá)到10 t/m2以上。

4 討論

依據(jù)上述的測評進(jìn)行多角度進(jìn)行分析，并對最終的橋梁極限承載力進(jìn)行對比研究，結(jié)果如下：此次選定的H高速公路，在可控的加載范圍內(nèi)，重量越大，加載受力面積越大，橋梁的多跨最大正彎矩比也隨之增加，承載力較高；反之，在可控的加載范圍內(nèi)，重量越小，加載受力面積越小，橋梁的多跨最大正彎矩比也隨之降低，承載力較小，基本成正向的承載變化關(guān)系，可控性較強(qiáng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，該文對高速公路等截面多跨連續(xù)梁橋極限承載力試驗進(jìn)行深入研究和精細(xì)操作。針對當(dāng)前的建設(shè)要求，設(shè)計更加靈活、多變的極限承載模式，在設(shè)計過程中充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下的響應(yīng)特征，并采用科學(xué)的方法模擬實際的受力情況。在不同的施工條件下，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多點(diǎn)位的分析驗證，計算處于極限狀態(tài)下的承載力，進(jìn)一步滿足高速公路的運(yùn)營需求，共同推動橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-26

作者簡介：邱偉挺（1989—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。