匝道橋荷載試驗方案設計

于明策，劉進朝，榮文濤，陳 艷

(1.濟寧醫學院，山東 濰坊 272067；2.山東交通職業學院，山東 濰坊 261206;3.山東省交通運輸行業公路工程材料教學研究實驗室，山東 濰坊 261206)

1 工程概況

寧武高速A匝道橋，橋孔分兩聯布設，布置為3×20 m+3×20 m，全長120.0 m。設計荷載為公路—Ⅰ級。主橋各聯為3×20 m預應力混凝土變截面箱梁連續梁橋，橋梁中線曲率半徑為78.5 m控制斷面梁高1.5 m。箱梁標準橫截面為單箱三室直腹板，箱梁頂板寬度為15.5 m，底寬為12.5 m，箱梁梁體兩翼板懸臂長度為1.5 m。主橋下部：主橋3#～6#墩采用箱形墩、樁基礎。橋面布置為0.5 m(防撞欄)+6.75 m(行車道)+1 m(波形欄)+6.75 m(行車道)+0.5 m(防撞欄)。典型孔跨布置如圖1所示，主梁橫斷面如圖2所示。

圖1 第4～6孔橋型布置示意圖(單位:cm)

圖2 匝道橋橫斷面示意圖(單位：cm)

2 荷載試驗目的

(1)檢查施工質量、檢驗工程設計、確定橋梁可靠性。

(2)驗證橋跨設計合理與否，為設計的進步與改進積累經驗。

(3)直觀判斷橋跨結構在外界荷載作用下的實際情況，評價其承載能力及工作性能。

(4)通過動載作用了解橋梁基頻及其他階次頻率，用以判斷結構的固有振動特性及動載性能。

3 試驗內容

3.1 靜載內容

(1)試驗荷載下主梁控制截面的應力、應變。

(2)試驗荷載下主梁相關控制截面的豎向撓度。

以上試驗可確定應變及撓度校驗系數，從而判定橋梁的承受設計荷載的能力以及橋梁剛度的好壞。

3.2 動載內容

可分別在橋面無障礙和有障礙兩種情況下進行不同速度的跑車試驗，從而拾取測試點動力參數，主要內容有。

(1)通過拾震儀測定橋梁結構的自振頻率。

(2)通過動應變計拾取橋梁結構在動荷載作用下耦合效應，從而獲取橋梁結構的動應力、沖擊系數等參數。

4 靜載試驗

根據匝道橋施工圖及現場外觀檢查選擇第二聯作為試驗對象。利用midas Civil建立帶有曲率半徑的有限元模型，如圖3所示，通過運算得橋跨結構的活載彎矩包絡圖和位移包絡圖，如圖4所示。根據圖4選擇3個測試截面，分別為：位于第6跨0.4L處的Ⅰ-Ⅰ斷面、位于5#墩墩頂的Ⅱ-Ⅱ斷面和位于第5跨跨中的Ⅲ-Ⅲ斷面。

圖3 midas空間分析模型圖

圖4 內力計算示意圖

4.1 測點布置

(1)應變測點

箱梁應變測點的布設：選擇在箱梁底板及腹板處布置應變測點，沿縱橋向布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ三個測試界面上(其中Ⅱ-Ⅱ斷面布設于緊鄰5#墩附近)，每個斷面布置9個應變測點粘貼應變片，如圖5所示。考慮溫度變化對應變測試帶來的影響，可在每個測試斷面的位置布置一個溫度補償片。

圖5 應變片測點布設示意圖(單位：cm)

(2)撓度測點

撓度的測設可在梁底粘貼撓度計或在橋面用高程儀器測量。考慮本橋實際情況，選用通過全站儀或精密水準儀觀測測試斷面測點的豎向變位。撓度測試斷面選擇第6跨0.4L截面、第5跨跨中截面，為消除橋墩變位影響和支座變位對撓度測設的影響可于4#墩、5#墩、6#墩墩頂截面布設墩頂撓度測點，如圖6所示。沿測試斷面橫向于護欄內側各布置1個撓度測點。

圖6 撓度測點縱橋向布置示意圖(單位：cm)

4.2 試驗工況及加載位置

加載車輛為三軸車，每輛400 kN，前中后軸間距分別為3.6 m、1.4 m。

(1)加載工況

按各控制截面最不利效應進行布載，共分6種試驗加載工況，如圖7所示，6種工況分別為：

圖7 試驗荷載縱橋向位置布置示意圖(單位：cm)

工況1：縱橋向按Ⅰ-Ⅰ截面，中載。

工況2：縱橋向按Ⅰ-Ⅰ截面，偏載。

工況3：縱橋向按Ⅱ-Ⅱ截面，中載。

工況4：縱橋向按Ⅱ-Ⅱ截面，偏載。

工況5：縱橋向按Ⅲ-Ⅲ截面，中載。

工況6：縱橋向按Ⅲ-Ⅲ截面，偏載。

以上6種工況中，均為除工況5按單排四輛加載車中載對稱布設外，其他5種工況均按單排兩輛加載車布設。

4.3 加載效率計算

根據《公路橋梁荷載試驗規程》規定，靜力試驗荷載加載效率η取值范圍為0.95≤η≤1.05。此處

η=Sstat/(S×δ)其中：Sstat為試驗荷載作用下的變位或力的計算值；S為設計標準活荷載作用下變位或力的計算值；δ為設計取用的動力系數。

經計算各工況下的加載效率見表1。

表1 各工況加載效率

由表1知，6種工況下的加載效率均滿足規范要求。

5 動載實驗

動載試驗同時測量應力和撓度最大動態增量。

5.1 測點布置

(1)在Ⅰ-Ⅰ截面的路面上布置一個動應變計進行動應變的測設，可得其時程曲線，以便計算沖擊系數。

(2)緊鄰動應變測點處布設一拾震儀， 可分析主梁在載重車輛不同速度通過時的振動響應，以識別其前3階豎向振動參數。

5.2 試驗工況

動力試驗工況：載重汽車在有障礙和無障礙條件下勻速通過試驗跨，測試其動應變及振動響應參數。根據實際情況，本次擬定：

工況1：測試車以30 km/h勻速通過全橋。

工況2：測試車以40 km/h勻速通過全橋。

工況3：測試車以50 km/h勻速通過全橋。

考慮到行車安全，橋面障礙采用楔形橡膠條模擬。

6 結 論

由于匝道橋帶有較小曲率半徑，其荷載試驗方案建模不能以簡單的單梁法進行計算，通過梁格法建立模型，考慮最不利斷面確定測試斷面，并給出6個工況的加載方式，確定了滿足加載效率的靜載試驗方案與滿足測設動力響應的動載方案，可為同類橋的荷載試驗方案的制定提供參考。