橋梁鋪裝層對橋梁剛度貢獻影響的研究

徐以艷，楊榕 （湖北交通職業技術學院公路與軌道學院，湖北 武漢 430079）

1 引言

橋梁結構在試驗靜荷載作用下控制截面的應變、撓度以及橋梁結構動力性能的各參數（固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數等）和動力響應，是宏觀評價橋梁結構整體剛度的重要指標。如果實測值小于理論值，說明結構的實際剛度偏小，結構可能存在開裂或其他異常現象。

現行橋梁設計規范中，梁橋的剛度都是通過梁截面尺寸及材料性能來確定的，而橋面鋪裝層都是按恒荷載來考慮。而實際工程中，橋面鋪裝采用瀝青混凝土或鋼筋混凝土鋪裝層，且鋪裝層厚度較大，這時鋪裝層與主梁有一定的協同工作能力，大大提高了整體橋梁的抗彎剛度，這樣實際測得橋梁應變、撓度及自振頻率比理論計算值大。目前，認為雖然是橋梁抗彎剛度理論計算時比較保守的原因，但是實際鋪裝層對橋梁抗彎剛度的貢獻是不可忽略的，特別是鋼筋混凝土鋪裝層梁橋。

而目前設計中尚未考慮橋面鋪裝層對橋梁剛度的貢獻。因此，本文依據某實橋靜載試驗，分別考慮3種情況（不考慮橋面鋪裝層，考慮鋼筋混凝土鋪裝層、考慮瀝青混凝土鋪裝層）采用MIDAS Civil建立計算模型，導出3種情況的理論值，與現場測試值進行對比分析，確定鋪裝層對梁橋剛度貢獻的影響，對橋梁靜、動載試驗和橋梁狀態評估具有較強的針對性和實用性。

2 工程概況

某城市橋梁上部構造為1聯（3×25）m，采用先簡支后連續施工工藝，中心樁號處路線與水流方向夾角為85°。橋梁單跨單幅由8片預應力小箱梁組成，單幅橋面寬度為23.8m，全斷面車道布置為：0.3m（人行護欄）+3.0m（人行道）+4.5m（非機動車道）+15.5m（車行道）+0.5m（防撞護欄），單幅車道布置為單向四車道加非機動車道，設計汽車荷載等級為城市-A級。

圖1 橋梁有限元模型

3 靜載試驗

橋梁靜載試驗是使用試驗荷載在指定位置對橋梁進行加載，測試橋梁結構控制截面的應變、撓度等參數。

3.1 有限元計算模型

采用橋梁結構有限元分析軟件MIDAS Civil進行建模計算分析，本次有限元建模分3種情況：①完全不考慮橋面鋪裝影響；②橋面鋪裝完全由20cm厚的C40混凝土充當；③橋面鋪裝由20cm的瀝青混凝土充當。本次橋面鋪裝模擬，由板單元模擬，瀝青彈性模量為1.2MPa，泊松比為 0.3，容重 24kN/m3。

3.2 試驗跨選取及測點布置

基于靜載試驗的試驗跨選取原則，并且結合橋梁現場的實際工作環境，本文僅選取此橋上游幅第2、3跨為試驗跨，測試斷面為各測試跨1/2跨截面及上游幅1號橋墩對應的支點截面。

應變測點布置：測試截面為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5和6-6，每一測試截面在該截面每片小箱梁梁底均布置1個縱向應變測點，有6個測試截面，每個截面布8個測點，共48個測點，單幅截面應變測點如圖2所示。

撓度測點布置：由于橋梁現場條件限制，因此將撓度測點布置于橋面，測試截面2-2、3-3、5-5、6-6各布置5個測點，共20個測點，采用電子水準儀對撓度進行測量，單幅截面撓度測點如圖3所示。

圖2 測試截面應變測點布置圖（其中n為測試截面號）

圖3 測試截面2-2、3-3撓度測點布置圖（N表示應變測試截面編號，N為2、3）

3.3 試驗加載方案

按照設計人群荷載3.5kN/m2進行計算布載，有限元模擬中三種情況均考慮人行道及護欄的荷載效應。試驗荷載工況的選擇應依據反映橋梁結構的最不利受力狀態的原則來進行，根據本橋工程特點，分別選取支點位置最大負彎矩工況為Ⅰ、跨中截面最大正彎矩工況為Ⅱ、第3跨（邊跨）主梁最大正彎矩工況為Ⅲ。控制截面在試驗荷載作用下的內力計算值與按設計規范要求布置荷載作用下，控制截面的內力計算值的比值即是靜載試驗荷載效率，經計算工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ靜載試驗效率系數分別為0.93、1.04、1.04。試驗時分四級加載，兩級卸載。

3.4 靜載試驗結果及分析

3.4.1 應變測試結果及分析

工況Ⅰ應變測試結果見表1，各測點應變實測值與理論值比較見圖4（說明：表中應變單位為με；“+”表示受拉，表中“-”表示受壓）。

工況Ⅰ應變測試結果（με） 表1

工況Ⅱ應變測試結果（με） 表2

圖4 截面應變實測值與理論值對比圖

圖5 截面應變實測值與理論值對比圖

工況Ⅱ應變測試結果見表2，各測點應變實測值與理論值比較見圖5（說明：表中應變單位為με；“+”表示受拉，表中“-”表示受壓）。

3.4.2 撓度測試結果及分析

靜載試驗工況Ⅱ撓度測試結果見表3，各測點撓度實測值與理論值比較見圖6。靜載試驗工況Ⅲ撓度測試結果見表4，各測點撓度實測值與理論值比較見圖7。

工況Ⅱ撓度測試結果（mm） 表3

圖6 截面撓度值與理論值對比圖

圖7 截面撓度值與理論值對比圖

工況Ⅲ撓度測試結果（mm） 表4

4 結論

通過以上圖和表可以得出以下結論：

①在各種工況下，考慮20cm混凝土鋪裝層的彈性應變最接近實測彈性應變；

②不同截面下，考慮20cm混凝土鋪裝層的撓度值與實測撓度值最為接近。

本文通過3種情況下鋪裝層的有限元模擬與梁橋實測結果進行對比分析，發現鋼筋混凝土鋪裝層對梁橋剛度有影響，對橋梁靜載試驗和橋梁狀態評估，具有較強的針對性和實用性。