裝配式彎箱梁橋靜載試驗研究

謝賽軍 （通號建設集團公司，湖南 長沙 410001）

0 前言

隨著城市化進程的飛速發展，城市公路建設及立體交通建設日新月異。為了提高道路交通網的通行能力和通行效率，同時讓橋梁走向服從城市路線的整體走向，路線線形的要求相應地就越來越高，因此，越來越多的彎橋應運而生。彎橋主要的受力特點是翹曲變形和扭轉變形，無論荷載是否偏心，都會相應地產生彎矩和扭矩，并相互影響，同時在彎道處內外側支座反力不等，且內外側反力差易引起的較大的扭矩，使梁截而處于彎扭效應耦合的狀態，這與常見的正直線橋梁在受力性能方面有著較大的偏差。本文結合工程實例，基于單梁法對吉首市3×30=90m跳巖河連續小箱梁彎橋進行有限元分析，并對該橋進行靜載試驗研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

跳巖河橋是金坪路市政橋梁，橋梁里程樁號起始點為K1+532.000，終點為K1+622.000。橋梁總長為 3×30=90.0m，橋梁位于半徑R=500m道路曲線及緩和曲線段，橋梁墩臺平行布置，橋梁全寬33.6m。橋位處場地屬于溶蝕型丘陵地貌，岸坡起伏不大，橋位附近地面標高198.42-205.99m左右，高差約7.57m，地面縱坡10°～15°。橋梁平面布置如圖1所示。

1.2 箱梁參數

上部結構采用預應力混凝土小箱梁，結構體系為先簡支后轉連續的結構，按A類預應力混凝土構件設計。橋梁分兩幅設計，單幅橋按5片箱梁布置，單幅橋梁斷面布置為：0.3m（欄桿）+4.5m（人行道）+11.5m（機動車道）+0.5m（防撞護欄）＝16.8m，中分帶寬3.0m。為確保橫斷面尺寸與道路一致，邊梁的翼緣長度做相應調整以適應道路曲線。

主梁采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，線膨脹系數為 1.0×10-5，容重為 26kN/m3，荷載采用城市-A級，人群荷載為3.0kN/㎡。箱梁結構的截面尺寸如圖2所示。

2 靜載試驗

圖2 試驗橋梁尺寸橫斷面圖

橋梁試驗表 表1

經過現場考察后，根據設計圖紙確定試驗方案，選擇施工中存在一定問題的橋跨、結構受力最不利、相對結構技術狀況較差、便于搭設支架和設置測點以及施加荷載方便的橋跨進行試驗。本次試驗采用橋梁專用分析計算軟件Midas/Civil對其進行試驗荷載的靜力理論計算，跳巖河橋成橋靜載試驗所選取的試驗跨見表1所示。

2.1 有限元分析

采用Midas/civil建立梁單元有限元模型，按照城市-A級荷載標準，計算該橋的荷載效應，結構計算簡圖及受力圖如圖3、圖4所示。

圖3 30+30+30m連續梁有限元模型

2.2 試驗荷載

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的規定，靜載試驗荷載一方面應保證結構的安全性，另一方面又應能充分暴露結構承載能力，一般靜載試驗效率系數：

式中：ηq——靜載試驗荷載效率系數。

Ss——試驗荷載作用下，檢測部位最大變位或最不利內力計算值；

S'——設計標準荷載作用下，檢測部位最大變位或最不利內力計算值；

μ——設計取用的動力系數。

選取最不利荷載效應作為本文分析研究的重點，因此選取邊跨及中跨最大正彎矩偏載、中載測試工況進行分析，靜載試驗效率如表2所示。

2.3 測點布置

①應力應變測試。本次試驗箱梁跨中梁底最大正彎矩應變測點的布置為一片梁布置6個測點，分別在腹板與頂板交界處、腹板與底板交界處及底板中間各2個測點，采用振弦式應變計和配套的測試儀進行應變測試。

②撓度測試。試驗撓度測點布置在測試跨在各箱梁中心線和兩個支座斷面處，共七個斷面的橋面上布置豎向撓度測點，利用精密水準儀與百分表配合測量橋跨的撓度變化，考察結構的剛度。

2.4 測試規則

按照擬定的試驗工況，經計算分析表明：本次試驗加載采用4～6臺重約450kN的加載車，加載車分三級加載（一級加載2輛車，二級加載4輛車，三級加載6輛車）。

圖4 跳巖河橋連續梁活載彎矩效應圖（kN·m）

跳巖河橋連續梁活載彎矩效應圖（kN·m） 表2

圖5 跳巖河橋連續梁最不利應變梁體測試結果對比圖

2.4.1 靜力加載持續時間

加、卸載的持續時間取決于結構最大變位測點達到穩定標準所需要的時間，實際觀測時，一般是取15分鐘。

2.4.2 終止加載的控制條件

①控制測點變位（或撓度）超過規范允許值時；

②由于加載使結構裂縫長度、寬度急劇增加，新裂縫大量出現，寬度超出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；

③發生其它破壞，如超過規范允許值等影響橋梁承載能力或正常使用時。

3 試驗結果與分析

根據現場測試結果，可得到跳巖河連續彎箱梁橋在各個工況下的應變及撓度測試情況各有不同，值得一提的是對于應變測試結果，本文在此僅挑選出最不利荷載工況下受力最大的梁體，將理論數值與試驗結果進行對比分析，對比結果如圖5和圖6所示。

圖6 跳巖河橋連續梁撓度測試結果對比圖

從圖5可以看出，結構應變測量結果與理論值較吻合，各個測點的應變值在不同工況的不同荷載等級下，應變大小與加載大小呈正相關態勢，且變化趨勢基本成線性發展，最大應變出現在工況一即邊跨跨中偏載工況1#梁3-4號測點，測試應變值達到148με，理論值為187με。

從圖6可以看出，結構撓度測量結果與理論值較吻合，與荷載施加等級呈正相關態勢，且變化趨勢與應變變化趨勢類似，最大撓度出現在工況一橋梁1/2跨中位置，最大撓度值11.648mm，理論值為15.326mm，相鄰跨最大負撓度為-4.597mm，理論值為-6.129mm，支點位置則基本沒有變化。

綜合上述分析，可以發現該小箱梁彎橋最不利受力狀態是在橋梁邊跨受偏載作用的情況下發生，邊跨跨中偏載作用下的應變校驗系數最大值為0.780，撓度校驗系數最大值為0.739，均小于1，滿足規范要求，表明結構承載力滿足設計荷載要求；殘余應變與加載應變之比最大值為0.139，殘余撓度與加載撓度之比最大值為0.111，均小于0.2，說明結構的回彈性能較好。

4 結論

本文根據跳巖河裝配式小箱梁彎橋的特點，結合有限元分析和現場試驗研究，可以看出，在各工況各級加載作用下，橋梁的力學性能和變形性能表現良好，理論分析與試驗測試結果較吻合，荷載等級與應變、撓度基本呈正相關變化，在試驗荷載作用下橋梁最大應變測試值均小于最大理論值，殘余變形較小，應變校驗系數和撓度校驗系數均滿足規范要求，說明結構整體處于較好的工作狀態，并且觀察到應變及撓度校驗系數普遍處于0.7至0.8之間，表明基于單梁法進行此類橋梁的理論分析是偏安全考慮的，可為同類工程設計和施工提供參考。