大跨連續剛構橋增設渡江管道整體安全性研究

何思路

(閬中市公路管理養護局， 四川閬中 637400)

隨著我國城市化建設的迅猛發展，供水管道的運量逐漸難以滿足生產、生活的需求，增設供水管道成為城市優化升級過程中的重要一環。傳統供水管道渡江方法主要為單獨架設管道橋梁[1]和水下沉管，工程量大且工期較長。而利用既有橋梁直接敷設渡江管道具有顯著的經濟優勢，能有效節約工程成本，符合可持續性發展理念。在橋梁上增設渡江管道會改變原始設計的持荷狀態，重新評估橋梁的實際承載能力和工作性能對保障結構的整體安全性能具有十分重要的意義。

靜載試驗是評估橋梁安全性能的重要研究手段，通過在指定位置施加靜止荷載，測試橋梁結構的應變和位移等性能指標，判斷橋梁在荷載作用下的實際工作狀態[2-3]。目前，對于新建大跨橋梁、改建或加固的舊橋以及需要通過特種車輛的橋梁，均需進行橋梁荷載試驗。關于橋梁安全性能評估方法，工程界展開了廣泛的探討，如王凌波等[4]設計了橋梁荷載試驗方案全自動車輛布載算法，改善了荷載試驗中車輛布置復雜的難點。馬超等[5]通過對大量荷載試驗現場檢測數據的統計，得到橋梁荷載試驗箱撓度校驗系數的常值范圍。蔣偉[6]評估了體外預應力加固后橋梁的實際承載能力。危媛丞[7]采用荷載試驗對不規則連續整體式板梁進行了安全性評估。目前關于橋梁安全性能評估的研究中，少見探討增設渡江管道對橋梁承載能力的影響。

本文以閬中市嘉陵江三橋為工程背景，考慮增設渡江管道后橋梁承載狀況的變化，開展荷載試驗評估改建后橋梁的整體安全性能，對供水管道渡江方案決策提出建議。研究結論可供類似橋梁敷設渡江管道的安全性評估參考。

1 工程背景及分析模型

1.1 工程背景

閬中市嘉陵江三橋主橋為連續剛構橋，全橋寬26 m，橋梁跨徑(85+148+85) m。箱梁頂面設有單向2 %橫坡，箱梁底橫向保持水平，通過調整箱梁腹板高度形成2 %的單向橫坡。箱梁頂板寬13.0 m，底板寬6.5 m；梁高根部為8.5 m，高跨比為1/17.4；跨中3.5 m，高跨比為1/42.3；梁底變化曲線：1.8次拋物線；箱內頂板最小厚度為0.28 m；腹板厚度為0.9～0.75～0.6～0.45 m；底板厚度根部為1.0 m、跨中0.30 m，底板厚度按1.8次拋物線變化；主梁采用三向預應力混凝土結構。主橋主墩墩身采用單箱截面薄壁墩，墩身尺寸為6.5 m×4.0 m，壁厚0.8 m×0.6 m。設計荷載等級：公路-I級；人群荷載：2.5 kPa；設計速度：40 km/h。橋梁實景如圖1所示。

圖1 閬中嘉陵江三橋實景

為解決閬中河東片區生產、生活用水問題，現從七里新區敷設一趟 DN800 供水管至河東片區，跨越閬中市嘉陵江三橋。因嘉陵江三橋主橋敷設單根DN800 供水管，架設于左右幅之間，可能會對橋梁受力造成一定影響，對該橋進行評估計算與靜載試驗。

1.2 結構分析模型

為有效評估增設渡江管道后橋梁的整體安全性能，并合理地進行該橋荷載試驗，采用有限元軟件Midas Civil建立全橋分析模型，如圖2所示。模型上部結構和下部結構均采用三維空間梁單元模擬，整個模型共189個節點，174個梁單元。交界墩支座采用彈性連接模擬，各自由度方向剛度值按是否約束取極大值為0，承臺底采用六自由度彈簧模擬樁土效應。以荷載形式模擬渡江管道對橋梁的作用，在全橋按最不利滿載DN800 供水管施加均布荷載。

圖2 有限元模型

2 結構性能狀態評估

在連續剛構橋梁上增設渡江管道后，橋梁的持荷狀態發生變化，原始設計不一定能保證整體結構仍滿足安全性要求。因此需要利用有限元模型，從承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩個角度，重新評估橋梁整體安全性能。

2.1 承載能力極限狀態評估

增設的渡江管道荷載按永久作用考慮，采用作用基本組合評估橋梁的承載能力極限狀態。以梁體抗彎承載能力和抗剪承載能力作為承載能力極限狀態評估標準。表1和表2分別為梁體抗彎承載能力與梁體抗剪承載能力計算結果。

由表1和表2可見，主橋梁體正截面抗彎承載能力安全儲備系數最小為1.12，斜截面抗剪承載能力安全儲備系數最小為1.11。因此，增設渡江管道后，維持橋梁原始設計不變，其抗彎與抗剪承載能力仍然滿足安全性要求，渡江管道并不威脅橋梁承載能力安全。

表1 梁體抗彎承載能力計算結果

表2 梁體抗剪承載能力計算結果

2.2 正常使用極限狀態評估

嘉陵江三橋主橋的正常使用極限狀態需要評估正截面抗裂與斜截面抗裂。該橋按全預應力構件進行設計，控制截面的抗裂計算結果如表3所示。表中壓應力為正，拉應力為負。

由表3可見，梁體控制截面正截面抗裂最大應力為0.56 MPa(壓應力)，全橋未出現正截面拉應力。梁體控制截面斜截面抗裂最大應力為0.93 MPa(拉應力)，容許應力限值為0.4ftk=1.10MPa。因此，梁體滿足全預應力構件的使用要求。

有限元模型計算結果表明，增設渡江管道后，橋梁的原始設計仍然滿足正常使用要求。

表3 梁體抗裂計算結果 MPa

3 靜載試驗方案

3.1 靜載試驗測試內容

在采用有限元模型進行結構性能狀態評估的基礎上，進一步開展橋梁靜載試驗，測試橋梁的實際安全狀態。

本次試驗測試位置主要包括主跨跨中梁體截面(A-A)、橋墩附近梁體截面(B-B)和邊跨跨中梁體截面(C-C)等三處，如圖3所示。其中，A-A和C-C截面為最大正彎矩加載試驗，包含中載和偏載兩類加載方式，B-B截面為最大負彎矩加載試驗，僅有中載加載方式。

圖3 測試截面布置(單位：cm)

靜載試驗的測試內容主要為試驗截面的應力測試，試驗跨梁體L/4、L/2、3L/4及相鄰L/2截面處豎向撓度測試以及控制截面的裂縫及其它異常情況觀測。撓度測點布置如圖4和圖5所示。

圖4 撓度測點縱向布置(單位：cm)

圖5 撓度測點橫斷面布置(單位：cm)

3.2 靜載試驗荷載布置

靜載試驗的荷載設計考慮DN800給水管充滿水狀態，模擬增設渡江管道后大跨連續剛構橋的持荷情況，針對性地評估橋梁在實際狀況下的受力性能。

為了獲得結構試驗荷載與變位關系的連續曲線和防止結構意外損傷，靜力試驗荷載按4級加載，2級卸零；加載方式為單次逐級遞增到最大荷載，然后卸到零級荷載。

靜力試驗荷載的加載分級，主要依據試驗加載車在檢驗項目影響面內縱橫向位置的不同以及加載車數量多少，分成設計控制荷載產生的該檢驗項目最不利效應值的50 %、80 %、90 %和100 %。加載位置與加載工況的確定主要依據的原則是：盡可能用最少的加載車輛達到最大的試驗荷載效率，同時應考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，并在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進行適當合并，每一加載工況依據控制檢驗項目設置，同時兼顧其他檢驗項目。根據設計荷載計算各跨各控制截面的彎矩，并依此進行試驗荷載設計。

本橋加載車輛采用軸距為3.8+1.35 m的雙后軸載重貨車，單車總重分別為450 kN。各試驗截面工況分級加載車輛如表4所示，表中Z表示縱向車列數量，H表示橫向車輛數量。不同工況下加載車輛的縱橋向位置布置如圖6和圖7所示，中載和偏載下車輛在橫向的布置如圖8和圖9所示。

表4 各試驗截面工況分級加載車輛

圖6 A-A工況加載車輛布置(單位：cm)

圖7 B-B工況和C-C工況加載車輛布置(單位：cm)

圖8 中載工況加載橫向布置示意(單位：cm)

圖9 偏載工況加載橫向布置示意(單位：cm)

本次試驗的效率系數如表5所示，各個工況荷載效率系數滿足規范要求的0.95至1.05的范圍。

表5 靜載試驗效率系數

4 靜載試驗結果

4.1 靜載試驗撓度測試主要結果

在靜載試驗過程中，各工況下橋梁的相對殘余撓度均小于20 %，表明橋梁結構工作狀態處于彈性階段。各中載工況下橋梁關鍵位置的撓度測試結果如表6所示，偏載工況下橋梁關鍵位置的撓度測試結果如表7所示。

試驗結果表明，在中載作用下，A工況撓度結構校驗系數介于0.63～0.87之間，B/C工況撓度結構校驗系數介于0.68～0.82之間。在偏載作用下，A工況撓度結構校驗系數介于0.67～0.83之間，B/C工況撓度結構校驗系數介于0.59～0.84之間。全部撓度結構校驗系數均小于1.0，表明試驗橋梁具有較好的剛度，且具有較充分的安全儲備。

4.2 應變測試結果

在靜載試驗過程中，各工況下橋梁的相對殘余應變均小于20 %，表明橋梁結構工作狀態處于彈性階段。試驗荷載作用下，關鍵位置應變實測值與計算值見表8。

表6 中載工況撓度測試結果 mm

表7 偏載工況撓度測試結果 mm

表8 中載工況應變測試結果 με

試驗結果表明，A工況應變結構校驗系數介于0.67～0.86之間，B工況應變結構校驗系數介于0.69～0.81之間，C工況應變結構校驗系數介于0.71～0.86之間。全部應變結構校驗系數均小于1.0，表明試驗橋梁具有較好的強度，且具有較充分的安全儲備。

5 結論及建議

本文以閬中市嘉陵江三橋主橋為工程背景，采用有限元分析和原位靜載試驗等評估方法，研究了在大跨連續剛構橋上增設渡江管道后的安全性能，得到了如下結論：

(1)有限元模型評估計算結果表明，增設渡江管道會導致橋梁的整體持荷狀態發生變化，但原始設計仍滿足承載能力和正常使用的安全性要求。

(2)靜載試驗撓度測試結果表明，全部撓度結構校驗系數均小于1.0，試驗橋梁的剛度較好，且具有一定的安全儲備。

(3)靜載試驗應變測試結果表明，全部應變結構校驗系數均小于1.0，試驗橋梁的強度較好，且具有一定的安全儲備。

(4)在大跨連續剛構橋梁上增設渡江管道后，無需對橋梁進行加固改造處理，原始結構即能滿足安全性要求。對于類似渡江管道建設工程，在進行充分的安全性能評估的基礎上，可利用既有橋梁直接敷設渡江管道，能有效節約工程成本，符合可持續性發展理念。