大跨度連續剛構橋荷載試驗方案分析

朱清航（中鐵城際規劃建設有限公司 遼寧分公司，遼寧 沈陽 110004）

引言

橋梁荷載試驗是必須的安全檢測手段，可以為橋梁的結構性能及承載能力進行科學有效地評估，提供直觀有力的依據，并且為橋梁后期的養護以及健康監測等積累技術資料［1］，因此橋梁荷載試驗是橋梁在正式投入運營之前必不可少的步驟［3-4］。橋梁荷載試驗檢測的首項任務是科學合理地制定荷載試驗方案，從而全面評價橋梁的安全性能［6］。根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）［9］新建橋梁可通過荷載試驗來檢驗橋梁結構的正常使用狀態和承載能力是否符合設計要求［7］。

大跨度連續剛構橋具有T型剛構橋的無支座支撐，同時具有連續梁橋的無伸縮縫使得行駛平穩等優點［8］。

1 工程概況

跨河橋梁分左右兩幅，主跨橋孔布置為80 m+150 m+80 m大跨度連續剛構橋，總長310 m，主跨150 m。上部結構采用預應力混凝土連續剛構，下部結構采用空心薄壁墩、承臺樁基礎，橋面寬度12 m雙向四車道（0.5 m（護欄）+11 m（車行道）+0.5 m（護欄）），最大橋高107 m。橋墩墩身采用C50混凝土，承臺及基礎采用C30混凝土，上部箱采用C50混凝土。支座采用盆式橡膠支座，伸縮縫采用模數式型鋼伸縮裝置。根據規范［9］要求連續剛構橋靜載測試截面邊跨最大正彎矩截面應力及撓度（1-1）、主跨墩頂截面主梁應力（2-2）、主跨最大正彎矩截面應力及撓度（3-3）。測試截面計橋型布置見圖1。

技術標準及指標：公路等級：高速公路;設計荷載等級：公路-I級；設計行車速度：80 km/h。

圖1 橋型布置（cm）

2 模型計算

2.1 模型建立

在CAD中建立截面尺寸后，導入Civil建立變截面組見圖2，箱梁梁高度按1.75次拋物線變化，0#塊、合攏段截面后建立變截面組，完成后將變截面組轉化為變截面，以利于提取截面應力。靜力試驗荷載加載方式是采用單輛三軸載重汽車作為等效荷載，在試驗過程中模擬設計活載所產生的內力值，見圖3。

圖2 變截面組設置界面

圖3 Civil模型

2.2 橋梁特征值分析

剛構橋振型測量前三階，剛構橋前三階均為豎向振型。對于豎向振型，剛構橋單幅橋布置20個測點，測點布置在中心線處，其中主跨布置于8分點，邊跨布置于4分點，在Midas Civil 2015中通過對自重、二期換算荷載轉化為質量，然后對結構特征值分析，計算出橋梁結構的基頻，提取振型圖，根據基頻按照現行《公路橋涵通用設計規范》（JTG D60-2004）4.3.2條公式計算沖擊系數，計算結果見表1。三階振型見圖4。

表1 沖擊系數計算

圖4 1～3三階振型

2.3 各截面控制內力

測試截面靜載作用最大彎矩分別為1-1截面24 622.2 kN/m、2-2截面79 686.9 kN/m、3-3截面21 940.4 kN/m。各截面最不利荷載作用下，1-1截面最大應變為40 με，最大撓度7.51 mm；2-2截面最大應變為-18 με；3-3截面最大應變為68 με，最大撓度20.59 mm。

3 結構分析

3.1 加載車輛

采用三軸加載汽車（重350 kN）加載，三軸加載汽車軸重為前軸重70 kN，中后軸重280 kN，軸距為中后軸距1.4 m，中前軸距4.0 m，見圖5。在方案設計中將車輛轉化為集中荷載加載與結構上進行確定加載車輛數量及位置。試驗前對每輛車進行配重，使加載車軸重達到試驗要求，要求加載車軸重誤差處于±5%范圍內，且保證在試驗過程中不會發生明顯的變化，對每輛車編號。

主梁應力控制截面混凝土表面應力（應變），擬采用在混凝土表面粘貼標距為80 mm、阻值為120Ω的應變片，配JM3812數據采集分析系統進行測量。主梁控制截面橋面撓度的測量擬采用電子水準儀（配銦鋼尺）進行測試。

圖5 試驗采用加載車輛（cm）

3.2 加載效率

根據規范［9］規定靜載試驗荷載效率宜介于0.85～1.05之間，無障礙行車試驗荷載效率不應超過1。采用影響線加載確定加載位置。加載效率見表2。

表2 各截面靜載控制彎矩及試驗荷載效應

通過表2可得，靜載加載效率值在0.91～1.01范圍內，均符合規范［9］要求，以此為加載方案。截面靜載工況下應變值見表3。

表3 各截面靜載工況下應變值

4 方案確定

4.1 測點布置

剛構橋箱梁箱內布置10個應變測點，頂板3個、底板3個、每側腹板2個。橋面每截面橫向等距離布置3個撓度測點，測點布置見圖6（a）、脈動測點1個布置在橋面見圖6（b）。

圖6 撓度、應變、脈動測點布置（mm）

4.2 試驗荷載

通過Civil模擬計算，得出檢測截面影響線，見圖7。根據影響線進行加載，使得各截面的加載效率在0.85～1.05之間。

圖7 1～3三階振型

圖8 1～3截面加載位置

根據影響線試算得到靜載試驗荷載加載車輛：1-1截面達到加載效率需要6輛35 t加載車沿邊跨最大彎矩處以對稱布置，兩排車以4 m間距布置，見圖8（a）；2-2截面8輛35加載車，分三排，每排間距為5 m，見圖8（b）；3-3截面6輛35 t加載車，分兩排以5 m間距布置，見圖8（c）。

4.3 試驗結果及分析

在進行正式加載試驗前，用兩輛載重加載車分別對測試對象各跨跨中進行橫橋向對稱的預加載，預加載試驗每一加載載位的持荷時間為20 min。

預加載后卸載，并在結構得到充分的零荷載恢復后，才可進入正式加載試驗，進行初始讀數，且應進行分級加載原則。采用三級加載原則，得到試驗過程控制截面應變值結果，見表4。

表4 各截面靜載控制應變測試結果（με）

試驗荷載作用下，連續剛構橋的應變校驗系數在0.62～0.83之間；卸載后整體應變恢復正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余應變均在20% 范圍內。相對殘余變形最大為0.08%，表明橋梁處于彈性工作范圍，且橋梁結構整體工作性能良好。

5 結語

（1）進行建模分析，調整結構自振頻率，根據最不利原則定出控制截面，以及按規范［9］定出截面測點。（2）根據影響線以及加載效率定出加載過程中所需車輛及車輛位置。（3）將車輛荷載轉化為集中力作用在結構中，得出控制截面加載效率，從而得出現場荷載試驗時加載車輛位置。

通過此方法定出橋梁荷載試驗方案后進行現場靜力荷載試驗，得到連續剛構橋的應變校驗系數在0.62～0.83之間，規范［9］規定預應力混凝土梁橋校驗系數在0.60～0.90之間，符合要求。主要控制點的相對殘余變形最大為0.08%，結構處于彈性工作狀態，因此方案確定較為合理。