高性能混凝土橋梁靜載試驗分析

吳帆

（上海隧道工程質量檢測有限公司,上海市201109）

0 引言

隨著國民經濟的發展，橋梁施工技術有了很大的提高。混凝土是橋梁施工的基本材料，混凝土的質量直接決定了橋梁的施工質量。混凝土在施工過程中，很容易產生裂縫，從而影響到結構的安全性和耐久性。而超高性能混凝土是由新型纖維增強水泥基復合材料構成，與傳統混凝土相比，UHPC具有密實度高、水化熱作用低、強度大等優點。因此，將其應用在橋梁工程中時，能夠提高橋梁的施工質量及使用年限。

1 材料性能

超高性能混凝土采用高強早強、耐久性好、流動性好的材料，材料性能等級不低于UA級，性能指標符合表1的要求。均布于超高性能混凝土基體中的特種纖維為其提供高抗拉強度、類金屬的拉伸應變強化、高延性，以及微裂縫多點開裂耗能等特性。

2 工程概況

上海袁家河地面橋，采用超高性能混凝土作為橋梁的基本材料，上部結構為簡支π型梁，單跨結構，跨徑22 m，單幅橋面，外側總寬17.75 m,橋梁與河道正交。上部結構為梁+150 mmC50鋼筋混凝土現澆橋面板組合梁形式。

表1 材料性能指標一覽表

為驗證材料性能，檢驗成橋后結構強度、剛度、穩定性和抗裂性，對使用荷載作用下橋梁的響應及工作狀況作出綜合評價，上海隧道工程質量檢測有限公司對袁家河橋進行了橋梁靜載試驗。

3 靜載試驗準備

3.1 有限元模型建立

根據該橋梁的基本情況建立有限元模型，按照設計圖紙，建立梁格單元，采用鋼筋混凝土板和類工字型梁組成聯合截面來模擬π型梁，如圖1所示。首先模擬橋梁在設計活載作用下的內力和位移，然后計算出等效車輛荷載，進行實橋加載，最后得出校驗系數。

3.2 有限元仿真模擬分析

采用大型橋梁計算軟件Midas Civil對該橋進行荷載試驗前的模擬仿真分析，計算模型在設計活載作用下的內力和位移包絡圖，見圖2~圖4所示。

圖1 計算模型簡圖

圖2 活載彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖3 活載剪力包絡圖（單位：kN）

圖4 位移包絡圖（單位：mm）

4 加載試驗

4.1 試驗的加載荷載

根據對橋梁結構的初步計算，采用等效荷載法，利用汽車加載。該項試驗加載車輛選用東風康明斯大型載重汽車,其中單輛車總重300 kN（前軸重60 kN，中后軸重240 kN，前中軸距350 cm，中后軸距130 cm，車身全長740 cm）。

標準加載車輛的車型示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 30 t車輛標準尺寸圖一（單位：cm）

圖6 30 t車輛標準尺寸圖二（單位：cm）

車隊縱向布置按各控制截面的影響線進行布置。控制截面實際加載產生的內力計算值除以其在設計汽車荷載作用下的計算值得到荷載效率系數η。由于實際車重的偏差，以及設計理論計算中考慮多車道折減等因素，其荷載效率系數η可能偏離較大。在實際荷載試驗中，通過控制相應的加載車輛的數量及位置使該檢驗項目的荷載效率系數η滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》第8.1.2條規定，η取值范圍宜介于0.95~1.05之間。圖7、圖8分別為加載車輛橫向與平面布置圖。

圖7 加載車橫向布置圖（單位：mm）

圖8 加載車平面布置圖（單位：mm）

4.2 測試截面的測點布置

（1）應變測點布置見圖9所示。

（2）撓度測點布置見圖10所示。

4.3 加載控制

圖9 應變測點布置圖

圖10 撓度測點布置圖

根據以上所做的準備工作，選用上述所用汽車荷載及布載方案，進行了實橋的靜力荷載試驗。加載車輛進場前，必須先稱量每輛車的軸重并記錄編號，要求車輛總重誤差不超過5%。試驗時，記錄每個工況各加載車輛的位置。

加載過程如下：

（1）橋梁空載。根據總指揮的指令，各測量組讀取橋梁在空載下的初始讀數，加載車輛在停車場待命。

（2）各測量組讀取完初始數據后，向總指揮匯報，然后總指揮向車輛調度組下指令，加載車輛逐批進場（分兩次逐級加載），相繼進入指定位置。

（3）加載車輛全部到位后，向總指揮報告。總指揮下達指令，各個測量小組開始測量。

（4）各位移測試小組和應力測試小組讀數工作結束后，立刻進行計算，得出本級加載結構測試截面的位移和應變，并上報總指揮。同時，其他人員對橋梁進行觀測，若有裂縫明顯增加或其他異常情況及時向總指揮匯報。

（5）根據各個測量小組匯報的測量結果，總指揮判斷試驗是否正常。如果測量結果有異樣，則命令相應的小組重新測量。如果一切正常，則命令加載車輛撤離。該工況結束。

（6）進入下一加載工況，直至試驗結束。

當試驗過程中，發生下列情況應中途停止加載，及時找出原因，在確保結構及人員安全的情況下可繼續試驗。

（1）控制測點應力值已達到或超過計算的控制應力值時；

（2）控制測點變位（或撓度）超過規范允許值時；

（3）由于加載，使結構裂縫的長度、縫寬急劇增加，新裂縫大量出現，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對結構使用壽命造成較大的影響時。

該項試驗時，未發生上述三種情況。

5 試驗數據整理（見表2）

表2 試驗荷載斷面最不利工況下最不利測點實測值與理論值比較表

6 結語

（1）高性能混凝土橋在設計荷載作用下，抗彎承載能力、裂縫開展情況及剛度符合規范的要求。

（2）高性能混凝土橋在試驗荷載下，應變、撓度校驗系數均小于1.0，結構實際剛度優于理論計算，處于彈性工作狀態；試驗荷載作用下，結構未新增裂縫。

綜上所述，通過對該橋的靜載試驗，以及相應的理論計算分析，根據有關規范和設計要求，袁家河橋在靜荷載作用下，結構撓度和應變符合規范要求，為高性能混凝土的設計計算提供了依據。