鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋靜載試驗

■馬 芳

（福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福州 350004）

荷載試驗能夠檢測結(jié)構(gòu)病害受損范圍及程度，提供橋梁劣化程度信息，從而判斷劣化形成原因及其對橋梁構(gòu)件的影響程度。 根據(jù)靜載試驗的結(jié)果，可對實際橋梁的強度和剛度進行定量判斷，直觀了解實際結(jié)構(gòu)的承載力富裕度。 同時，靜載試驗還能反映橋梁的實際與理論工作狀態(tài)的一致程度，驗證理論計算的可靠性。 因此，本文以海西高速公路網(wǎng)泉廈漳城市聯(lián)盟路泉州段安海灣特大橋為例，通過Midas/Civil 有限元分析軟件，建立了全橋桿系結(jié)構(gòu)模型， 并根據(jù)分析結(jié)果制定了靜載試驗方案，通過現(xiàn)場靜載試驗，對比理論結(jié)果與實測結(jié)果，判別了橋梁的工作狀態(tài)。

1 橋梁概況

安海灣特大橋為（135+300+135）m 鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，中跨鋼箱梁吊裝段長度為103 m，其余段為混凝土結(jié)構(gòu)。 橋梁全長570 m， 單幅橋面寬16.25 m，橫斷面布置為0.5 m（護欄）+15.25 m（行車道）+0.5 m（護欄）=16.25 m；下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙薄壁式實心墩，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)；上部結(jié)構(gòu)采用C55 海工耐久混凝土， 鋼箱梁部分采用Q235qD 鋼板，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用C50 海工混凝土；設計荷載等級為公路-I 級，設計速度為100 km/h。

2 有限元分析模型

結(jié)構(gòu)靜力計算采用Midas Civil 有限元程序，建立空間模型進行分析計算， 全橋共建立299 個節(jié)點、284 個單元，計算模型如圖1 所示。 本橋橋面寬為16.25 m，采用單梁模型可滿足試驗精度要求。 在鋼混結(jié)合段處理時按鋼結(jié)構(gòu)截面梁單元模擬。 剛構(gòu)橋應建立橋墩和承臺，承臺底部固結(jié)。 其余邊界條件按設計提供的邊界條件進行布置。 對于鋼箱梁段，應根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》[3]相關(guān)條文考慮有效分布寬度的影響。

圖1 有限元分析模型

3 靜力荷載試驗方案

3.1 試驗工況

依據(jù)JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》[1]及JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[2]進行靜載試驗監(jiān)測，內(nèi)容包括橋梁靜載應變和橋梁靜載撓度。 結(jié)合橋梁的設計和現(xiàn)場狀況， 選取左幅橋132#跨、133# 跨及133# 墩作為靜載試驗研究對象，如圖2 所示。 其中，1-1 截面為邊跨最大正彎矩截面、3-3 截面為支點負彎矩截面、2-2 截面為中跨最大正彎矩截面。 在確定靜載試驗加載工況時，應符合以下原則：（1）滿足橋面板等構(gòu)件局部受力的前提下，用較少的加載車輛達到規(guī)范要求的荷載效率，但應該滿足加載分級的要求；（2）充分利用有限元軟件的加載模塊，在滿足試驗荷載效率以及能夠達到試驗目的前提下盡可能合并加載工況，縮短試驗時間；（3）每加載一工況的設置應保證全橋其他構(gòu)件響應均不超限。

圖2 靜力荷載試驗工況

綜上所述，根據(jù)安海灣特大橋左幅主橋的結(jié)構(gòu)特點及理論計算的內(nèi)力包絡圖確定靜載試驗工況如下：（1）工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應力和撓度；（2）工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的應力和撓度；（3）工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應力和撓度；（4）工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的應力和撓度；（5）工況五：左幅133# 墩支點負彎矩左側(cè)偏載作用下的應力； 荷載試驗工況采用最不利受力原則即偏心加載。 本次靜力荷載試驗采用8 部34 t 和6 部28 t 共計14 部重型卡車進行加載，荷載試驗效率為0.87～0.99，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》規(guī)定的0.85～1.05 要求。

3.2 測點布置

靜載試驗測點布置包括應變測點和應力測點。通過應變測試值與理論應變值的比較，并綜合撓度測試結(jié)果與理論撓度結(jié)果分析，判斷橋梁截面剛度是否達到設計要求、是否滿足使用要求。 在各測試截面的橋面布置精密水準儀進行荷載試驗過程中撓度的觀測。 各工況的應變、 撓度測點布置如圖3所示。

圖3 各工況應變及撓度測點布置及編號

3.3 加載流程

正式加載前，應先采用一輛加載車在主梁的跨中進行預加載，以觀察結(jié)構(gòu)的響應，保證試驗安全。預加載持荷時間為20 min。預加載可減少非彈性變形對結(jié)果的影響，同時，使結(jié)構(gòu)進入正常的工作狀態(tài)。 預加載完成后，應卸載至零載并持續(xù)一段時間。正式加載應在結(jié)構(gòu)充分零荷載恢復后進行。

正式加載應采用分級加載，每級加載的持續(xù)時間為5 min，并觀察儀器讀數(shù)是否相對穩(wěn)定。應在結(jié)構(gòu)零荷恢復后，進行讀數(shù)并進入下級加載。 對于同一級荷載，可以結(jié)構(gòu)最后5 min 內(nèi)的位移增量作為相對穩(wěn)定的標志，即最后5 min 的位移增量小于前一個5 min 增量的5%。亦可用最后5 min 的位移增量小于所用測量儀器的最小分辨率值作為相對穩(wěn)定的標志。 同時，應觀測控制截面的應變和位移響應，若結(jié)構(gòu)響應在最大試驗荷載前提前達到或超過理論值，應終止加載并分析原因。

4 靜載試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 撓度數(shù)據(jù)分析

試驗荷載作用下，理論及實測安海灣特大橋左幅主橋各撓度測試點撓度曲線分別見圖4～7。其中，測點1#、2#、3#、4#、5#的位置，詳見圖3。 根據(jù)荷載試驗結(jié)果， 卸載后的相對殘余撓度絕對值在0～17.6%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

圖4 工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的撓度曲線

4.2 梁底應變數(shù)據(jù)分析

在荷載作用下，理論及實測安海灣特大橋左幅主橋各測試截面梁底各測點的應變?nèi)鐖D8～12 所示。 同時，卸載后的相對殘余應變絕對值在0.8%～17.7%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

圖5 工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的撓度曲線

圖6 工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的撓度曲線

圖7 工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的撓度曲線

圖8 工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應變曲線

圖9 工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的應變曲線

圖10 工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應變曲線

圖11 工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的應變曲線

圖12 工況五：左幅133#墩支點負彎矩左側(cè)偏載作用下的應變曲線

4.3 腹板應變數(shù)據(jù)分析

試驗荷載作用下，相應工況荷載作用下測點應變值沿截面高度變化規(guī)律如圖13 所示，由此可知，實測邊跨各荷載工況作用下截面中性軸位置（較理論值）略偏上。

圖13 邊跨測點應變沿截面高度的變化規(guī)律

4.4 靜力荷載試驗結(jié)論

通過安海灣特大橋現(xiàn)場荷載試驗，并對試驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)果進行分析，可得到如下結(jié)論：（1）荷載卸零后各撓度測點的相對殘余變形絕對值位于0～17.6%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中小于20%的規(guī)定， 說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)；（2）荷載滿載，荷載效率滿足規(guī)范要求，各撓度測點實測撓度值小于理論計算值，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中的要求；（3）荷載卸零后各應變測點的相對殘余應變絕對值在0.8%～17.7%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)；（4）荷載滿載，荷載效率滿足規(guī)范要求，各應變測點的實測應變值小于理論計算值，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》中的要求。（5）由應變和撓度數(shù)據(jù)可知，實測數(shù)據(jù)均小于理論數(shù)據(jù)，且有較大的富余，說明由于實際鋼筋混凝土材料兩種材料共同受力的復雜性，使得截面的實際剛度大于理論剛度，橋跨結(jié)構(gòu)總體剛度滿足設計要求；（6）實測邊跨各荷載工況作用下截面中性軸位置（較理論值）略偏上，是由于橋面鋪裝、二期等引起；（7）由撓度曲線可見，同一截面各測點撓度有偏差，是由于截面扭轉(zhuǎn)引起。但相較于16 m 橋?qū)挾裕笥覂蓚?cè)測點位移偏差較小（僅毫米級），可見，對于橋?qū)捿^窄的橋梁，扭轉(zhuǎn)效應并不顯著，采用單梁模型建模即可滿足要求。

5 結(jié)語與建議

鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋由于主跨采用大節(jié)段鋼箱梁，大幅度減輕了橋梁自重，增加了主跨跨徑長度，但是橋梁結(jié)構(gòu)受力復雜，鋼混結(jié)合段的施工質(zhì)量對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、 剛度變得尤為重要；對于該種結(jié)構(gòu)橋梁應定期進行荷載試驗，了解橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)。 在常規(guī)的荷載試驗模型中，鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋鋼混結(jié)合段只需按照正常的梁單元去模擬即可，如果要計算混合段細部應力結(jié)果建議采用Midas FEA 進行更準確的分析。