特大橋懸灌梁成橋荷載試驗與分析

呂曉鋒

中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300450

1 工程概況

石家莊市和平路高架橋工程主橋上跨石家莊市和平西路和石太鐵路，主橋為單箱三室截面，頂、底板采用U形加勁肋，采用跨徑為2×125 m的單索面鋼箱疊合梁鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑布置為125 m＋125 m＝250 m。道路中心線處梁高3.2 m，橋面雙向橫坡1.5%，梁底橫橋向水平，順橋向每隔2.5 m設置橫隔板1道。頂板厚度為16、20 mm，腹板厚度為16、20、24 mm，底板厚度為14、20、26 mm，隔板厚度為12、20、24 mm。跨鐵路主橋工程量為3 725 t。跨鐵路匝道橋跨徑布置為90 m＋90 m，橋寬7 m，全長180 m，為變截面鋼箱梁T構。跨鐵路孔由90 m的邊跨跨越。橋面縱坡相對于主跨中心線對稱，坡度為1.45%，其中主跨及部分邊跨處于R=30 000 m的圓弧豎曲線上，主梁為兩側帶懸臂的單箱單室鋼箱梁，其頂板為正交異性板結構。跨鐵路匝道工程量為891.6 t。

2 結構特點

由于大跨徑連續剛構橋上部分主梁連續，所以具備較大的跨越能力和連續行車的優點，在這個橋梁形式中，主梁、橋墩以及基礎結構都成為了一個整體，整個結構可以更加合理的受力。該橋梁形式具有結構簡單、外形勻稱以及適應性強等特點，能夠保證整體的剛度及通車安全。橋墩自身的變形可以消除混凝土收縮徐變以及溫度效應產生的撓度。連續剛構橋的具體特點如下[1-4]：

1）多次超靜定結構。大跨徑連續剛構橋在結構上屬于多次超靜定結構，具有多余的約束，混凝土收縮徐變、溫度效應以及預應力作用可能會引起橋梁結構的內力和位移變化。為減少這些問題，一般采用水平抗推剛度較小的空心高墩或雙薄壁墩等形式。

2）具有一定的剛度。橋墩固結且有多個主墩，每個主墩都有一定的剛度。

3）成本較低。該橋梁形式不需要在橋墩處設置伸縮縫，可有效地節約在設計和修建過程中對于支座設計、養護和更換的費用。

4）抗震性能優良。地震發生時，地震水平分力分配后分別作用到每個橋墩上，因此不需要專門設置制動墩或修建抗震支座，可以節省成本。

5）受力性能良好。橋身的柔度能適應混凝土收縮徐變以及溫度變化而引起的彈塑性變形，因此大跨徑連續橋梁受力時，其梁墩結合處有等同于鋼架的受力性質，具有較好的受力性能。

3 施工仿真分析

3.1 變形控制

任何施工方式建設的大橋都會出現一些問題，特別是橋梁的彎曲變形現象。這需要施工人員在施工時就控制好橋梁的實際標高，并應使其落在設計允許誤差的范圍之內，否則就需要進行調整。因此，保證橋梁不發生彎曲變形是一件非常重要的事情，這決定了橋梁是否能夠正常地完成修建。

3.2 應力控制

橋梁在進行建設的過程中，所受到的應力狀態是會發生改變的，所以需要實時了解橋梁在施工過程中的應力狀態，并將其與設計值進行對比分析，及時調整誤差，從而保證所建橋梁是合理的。

4 工程成橋試驗

4.1 成橋試驗的核心思想

本次試驗的主要目的是通過對新建橋梁的成橋試驗，來測試橋梁的整體運行能力，對其是否具備安全可靠的運行方式，應用相關試驗方法予以檢驗，并對施工質量做進一步的明確。這也為正在施工的特大橋懸灌梁提供基礎性的預防與預測，明確竣工后可能達到的質量效果。本次試驗共從兩方面入手，一是橋梁的靜載試驗，二是動載試驗。靜載試驗通過對車輛及行人在橋上的模擬，可以提前知道橋梁的極限荷載，并對橋梁的安全性與適用性給出準確的評價，對可能出現的施工質量問題，提前做好準備工作。動載試驗是通過試驗的模擬，經結構動力反應的檢測與觀察，對橋梁在不同使用階段出現的反應做出準確判定，并對各使用階段應注意的項目進行充分了解。對成橋進行相關試驗，可為以后同類橋梁的建設提供更為豐富的參考數據。

4.2 成橋試驗步驟

4.2.1 靜力荷載試驗

首先確定車輛位置，進行預加載，利用同等功能的設計荷載來發揮橋梁試驗的關鍵效應。這里需要知道橋梁所具備的結構特征與性能，對橋跨進行斷面撓度的檢驗與觀測，并在觀察階段進行實時數據采集，結合理論進行對比分析，明確實際與理論存在的不同，并采取數理評定的方法，確定橋梁正常使用下的極限荷載狀態，由此判斷該成橋能否正常投入使用及達到的安全等級（圖1）。

圖1 靜力荷載試驗模擬

監控截面的選擇并沒有局限性，試驗人可根據現行橋梁規范的標準要求進行選擇。圖1中2-2截面距離3#主墩中心線的伸縮縫位置為95 m，另外兩處分別為4-4截面和5-5截面，相應距離分別為23 m與317 m。本次試驗采取有限元軟件構建模型，并對結構內力產生的反應進行測算（圖2、圖3、表1）。

圖2 最大設計彎矩的活載

圖3 最小設計彎矩的活載

表1 監控截面活載設計彎矩值

加載效率系數是指控制斷面的實際加載車輛產生的效應與設計荷載產生的效應之間的比值，這個比值系數用符號η表示，η的取值范圍應滿足：0.95≤η≤1.05。

靜力荷載試驗下橋跨結構的計算效應值用Sx表示，監控荷載作用下的橋跨結構最不利的效應值用S表示，在計算前，應先行計算汽車荷載沖擊系數。對于不同的試驗工況，用專門的橋梁分析軟件進行計算，可以得到每個監控截面的內力情況，不同荷載工況的加載效率系數也不同，具體的情況如表2所示。

利用電子水準儀來測量主梁的撓度變形，在施工階段通過預先埋設的振弦式傳感器來進行橋梁上應力的測量，并且利用振弦讀數傳感器將這些數據級逆行采集，就可以得出主梁的撓度變形，本次試驗所采用的車輛質量如表3所示。

表2 靜載試驗各工況加載效率系數

表3 加載車輛稱重的質量

實際工況是按總車輛數分3次進行加載，每一次分別為50%、70%、100%，上下橋的車輛必須按序進行。上橋時開始記錄，當所有需要加載車輛到達指定位置之后，停頓10～15 min，然后開始正式讀數。在一組項目測試完成無誤后，就可以開始下一個工況的測量。

4.2.2 動力荷載試驗

通過模擬可以了解橋跨結構的剛度、自振基頻和阻尼系數，通過檢測動力荷載作用下的應變反應，能夠很好地預知橋梁整體運行中會出現的問題，并根據不同問題采取補救措施，提出意見和建議，有效防止運營后事故的發生（圖4）。

跳車試驗的方法是采用2輛相同質量的翻斗車（25 t），測量這2個翻斗車中長20～30 cm的枕木落下時對橋跨結構產生的瞬時沖擊，以測量結構的自振頻率和阻尼。動態測點的位置分別在主橋中跨的跨中截面、1/4截面和3/4截面處。

動載的試驗測試數據分析表明，該橋二階自振頻率為28.1 Hz，阻尼比β為10.6%～61.3%，而對應的理論計算二階頻率為12.1 Hz。

通過數據我們可以知道，實際測得的頻率大于理論計算值，表明橋跨結構實際剛度較大，振動響應較小，行車性能比較正常，能夠達到設計的荷載要求。同時通過實際的動載試驗，可以測得和分析得出橋梁的沖擊系數為0.035。通過實際的幾種測試，包括地脈動、跳車試驗，可以通過它們加速時所得的時程曲線及頻譜數據，得知依托工程具有較小的振動響應，具有良好的行車性能。

5 結語

本文對背景工程分別進行成橋的靜力荷載試驗和動力荷載試驗，通過試驗數據可以看出，石家莊市和平路橋梁工程一號橋的各個斷面都能夠表現出較好的受力狀態，滿足之前的設計要求，而且各個截面的應力和變形都較為合理，所以施工控制是非常有必要的[5-7]。通過檢測動力荷載作用下的應變反應，能夠很好地預知橋梁整體運行中會出現的問題，有效防止運營后事故的發生，保證橋梁能夠正常良好地投入使用。