單跨鐵路跨線橋預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板荷載試驗★

陳文舉，陳自焱，王龍勝，蘇宏軍，謝萬友，胡 雷

(1.中鐵二局集團有限公司,四川 成都 610000; 2.重慶市榮昌區(qū)交通工程建設(shè)中心,重慶 402460)

伴隨著全球鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,線性交通廊道在全球范圍內(nèi)正在快速擴張,到21世紀(jì)中期,全球道路建設(shè)將增加2 500萬km,同時伴隨著鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展,公路工程與運營鐵路交叉的情況日益增多[1]。

為解決這一現(xiàn)狀,國內(nèi)外學(xué)者對鐵路跨線橋展開了一系列研究[2-3],馬行川[4]通過從轉(zhuǎn)體工藝、轉(zhuǎn)體動力系統(tǒng)、球鉸技術(shù)等方面對轉(zhuǎn)體橋技術(shù)的進一步發(fā)展進行展望,提出一些解決措施和思路。陳金州等[5]在開陽高速公路改擴建工程的跨線橋改造項目中采用SPMT快速建造工法,設(shè)計了“箱形開口截面鋼槽梁+鋼筋混凝土橋面板”的結(jié)構(gòu)型式,其效果相對較好。Zhu等[6]以火災(zāi)發(fā)生后的單跨組合鋼板梁立交橋為原型,建立二元易損性曲線,得到了簡支組合鋼板梁跨線橋的二元結(jié)構(gòu)-火災(zāi)易損性曲線。Farrag等[7]還利用移動振動臺和數(shù)值模擬研究了DSSI對跨線橋動力響應(yīng)的影響,研究結(jié)果表明,考慮DSSI效應(yīng)的模型降低了跨線橋橋梁構(gòu)件的應(yīng)力水平。通過這些研究可以發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力簡支梁橋不僅在公路建設(shè)中得到了大量應(yīng)用,在鐵路跨線橋建設(shè)中也被廣泛運用[8]。

橋面板作為直接承受車輛輪壓的承重結(jié)構(gòu),在構(gòu)造上它通常與主梁的梁肋和橫隔梁(或橫隔板)整體相連,既能將車輛活載傳給主梁,又能構(gòu)成主梁截面的組成部分,并保證了主梁的整體作用[9]。預(yù)應(yīng)力簡支梁橋多采用矩形板、實體連續(xù)板和空心連續(xù)板作為橋面板,然而,矩形板制作成矩形,長(寬)與厚度之比不小于1/20,其立模比較方便,施工簡單,但此種板自重較大,不是很經(jīng)濟[10];實體連續(xù)板指板的形狀為矩形(其長寬比一般為l/b≥15),板內(nèi)無孔洞,即實體。它是指支承在3個支點以上的矩形實體現(xiàn)澆板[11];空心連續(xù)板即通常所說的矩形空心連續(xù)板,它與矩形實體連續(xù)板相似,只是板內(nèi)有孔洞(即空心),根據(jù)挖孔洞率不同,可將空心連續(xù)板分成低空心率連續(xù)板、中空心率連續(xù)板和高空心率連續(xù)板不同等級[12]。

近年來,為增強橋面板的強度、耐久性及實用性等特性,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究[13-14]。然而,對于鐵路跨線橋很少采用預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板,更很難見到對預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板的試驗結(jié)果及檢測結(jié)果的分析。因此,開展預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板荷載試驗是非常有必要的,本文依托單跨鐵路跨線橋的實際工程,開展預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板荷載試驗,并對其進行檢測分析,為相關(guān)工程提供一定參考。

1 工程概況

榮昌區(qū)孫家灣跨線橋位于榮昌區(qū)廣順街道天長村孫家灣處,為一鐵路跨線橋,橋型布置如圖1所示。一孔13 m預(yù)應(yīng)力簡支空心板梁橋,橋梁全長32.45 m,該橋為農(nóng)村公路便橋。橋梁設(shè)計荷載等級:人群荷載3.0 kN/m2,未考慮重型貨車通行。橋面寬8.5 m,中心里程樁號為K0+112.358,預(yù)制空心板采用C40混凝土。

選取該橋梁預(yù)應(yīng)力簡支空心面板為研究對象,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、橋梁現(xiàn)狀及現(xiàn)場條件,在跨中截面布置試驗測點,開展結(jié)構(gòu)承載能力檢算和成橋荷載試驗等。

2 試驗方案

2.1 結(jié)構(gòu)承載能力檢算

結(jié)構(gòu)承載能力檢算依據(jù)JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[15],以竣工資料為基礎(chǔ)進行建模分析,并根據(jù)橋梁實際情況進行核對修正,最后通過荷載試驗鑒定即可判斷橋梁目前的承載能力狀況。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[16],本文假定荷載等級為公路-Ⅱ級;或滿人荷載:3.0 kN/m2。結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表1。

表1 材料取值參數(shù)表

橋梁結(jié)構(gòu)計算采用Midas Civil 2020有限元軟件,孫家灣跨線橋空心板將結(jié)構(gòu)離散為19個單元,20個節(jié)點,如圖2所示。

對其進行承載能力極限狀態(tài)驗算和正常使用極限狀態(tài)驗算,以抗裂驗算為例,如圖3所示,通過驗算可知,跨線橋承載能力滿足公路Ⅱ級荷載等級要求,承載能力富余量為4.8%。

2.2 成橋荷載試驗

綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點、施工質(zhì)量及橋梁現(xiàn)場條件,選擇第1跨進行靜荷載試驗。本試驗采用表面式電阻應(yīng)變片配合相應(yīng)的應(yīng)變采集儀測試混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變;并根據(jù)現(xiàn)場條件,采用電子水準(zhǔn)儀進行結(jié)構(gòu)撓度測試。荷載試驗前、后及過程中,跟蹤觀測混凝土結(jié)構(gòu)表面是否存在裂縫及裂縫變化情況。

2.2.1 靜載試驗

本次檢測為交工前荷載試驗項目,以設(shè)計荷載作為控制荷載,所需加載車輛的數(shù)量及其在橋梁上的縱橫向排列,將根據(jù)試驗荷載產(chǎn)生的該加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變形的最不利效應(yīng)值,按式(1)所確定的原則等效換算而得:

(1)

其中,ηq為靜載試驗荷載效率;Ss為靜載試驗荷載作用下,某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值;S為控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值;μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

本次試驗加載方式分三級逐級增加到最大荷載,然后一次卸零。利用橋梁專用有限元計算分析軟件MIDAS/Civil對橋梁結(jié)構(gòu)進行試驗設(shè)計,如圖4所示。計算在公路Ⅱ級作用下各控制截面的最大內(nèi)力,并根據(jù)該位置的縱向影響線,通過試驗加載車進行等效加載。

試驗車輛荷載采用載重汽車加載,單輛載重汽車總重約400 kN,各車編號及軸重見表2,圖5。

表2 加載車編號及軸重 kN

工況1、工況2分別為全橋第1跨最大正彎矩正載、偏載試驗,分3級加載。各級加載內(nèi)力、效率系數(shù)見表3,具體車輛布置見圖6,圖7。

2.2.2 動載試驗

動力荷載試驗是利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動,并測定其固有頻率、阻尼比、振型、動力響應(yīng)系數(shù)等參量,從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、行車性能。

本試驗采用速度傳感器和加速度傳感器采集橋梁振動信號,經(jīng)信號放大后,由動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并進行數(shù)據(jù)采集和存儲,在后分析計算機進行數(shù)據(jù)后處理。動態(tài)數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實時采集、實時顯示和初步實時分析。

表3 兩種工況第1跨最大正彎矩試驗車位分級及加載效率

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)驗算

梁橋梁荷載效應(yīng)不利組合設(shè)計值應(yīng)不大于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)設(shè)計值的方程式見式(2):

γρS≤R(fd,ξcadc,ξsads)Z1(1-ξe)

(2)

確定檢算系數(shù)Z1為1.13,承載能力惡化系數(shù)ξe為0.02,截面折減系數(shù)ξc為0.98,鋼筋截面折減系數(shù)ξs為0.99。通過對該橋梁外觀及專項檢測結(jié)果分析及對其檢算修正系數(shù)計算,其折減系數(shù)大于1,對承載能力計算有利,折減后承載能力滿足設(shè)計及相應(yīng)規(guī)范要求。

3.2 靜載試驗

圖8(a)為工況1(第3跨跨中最大正彎矩正載)1-1截面上1號～3號測點滿載撓度實測值與計算值關(guān)系曲線。圖8(b)為工況2(第1跨跨中最大正彎矩偏載)1-1截面上1號～3號測點滿載撓度實測值與計算值關(guān)系曲線。

由圖8可知,主要撓度測點實測值與計算值線性關(guān)系良好,且實測值小于計算值,表明結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀態(tài)。由檢測數(shù)據(jù)可知,工況1(第1跨跨中最大正彎矩正載)在試驗荷載下,實測橋跨最大撓度為1.8 mm,主要測點撓度校驗系數(shù)介于0.36～0.40之間,小于1,說明橋跨結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足要求;卸載后相對殘余變形在20%范圍內(nèi),橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。工況2(第1跨跨中最大正彎矩偏載)在試驗荷載下,實測橋跨最大撓度為2.0 mm,主要測點撓度校驗系數(shù)介于0.37～0.51之間,小于1,說明橋跨結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足要求;卸載后相對殘余變形在20%范圍內(nèi),橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

圖9(a)表示工況1(第1跨跨中最大正彎矩正載)1-1截面上1號～14號測點滿載應(yīng)變實測值與計算值關(guān)系曲線。圖9(b)表示工況2(第1跨跨中最大正彎矩偏載)1-1截面上1號～14號測點滿載應(yīng)變實測值與計算值關(guān)系曲線。

由圖9可知,主要應(yīng)變測點實測值與計算值線性關(guān)系良好,且實測值小于計算值,表明結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀態(tài)。檢測數(shù)據(jù)表明,工況1(第1跨跨中最大正彎矩正載)在試驗荷載下,實測橋跨最大應(yīng)變?yōu)?5 με,主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.22～0.74之間,小于1,說明橋跨結(jié)構(gòu)強度滿足要求;卸載后相對殘余變形在20%范圍內(nèi),橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。工況2(第1跨最大正彎矩偏載)在試驗荷載下,實測橋跨最大應(yīng)變?yōu)?1 με,主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.18～0.60之間,小于1,說明橋跨結(jié)構(gòu)強度滿足要求;卸載后相對殘余變形在20%范圍內(nèi),橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.3 動載試驗

通過對自然激勵響應(yīng)測得數(shù)據(jù)的辨識,以及有限元計算分析,得到結(jié)構(gòu)的豎向頻率為6.580 Hz,實測頻譜分析結(jié)果、阻尼比分析結(jié)果、時域信號如圖10,圖11所示,結(jié)果匯總于表4。

表4 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)匯總表

根據(jù)公路-Ⅱ級的通行要求,通行車輛控制上限為整車30 t、軸重12 t。結(jié)合現(xiàn)場踏勘可知,兩端橋頭均設(shè)置了限寬墩,已阻止超寬超限運輸車輛通行。同時因限寬墩的存在,通行車輛在橋梁行駛速度較低,行車性能測試不具備可操作性且意義不大,本次僅做脈動試驗,其評定標(biāo)度作為承載能力檢算系數(shù)Z1選取依據(jù)。

4 結(jié)論及建議

本文以重慶市榮昌區(qū)某單跨鐵路跨線橋預(yù)應(yīng)力簡支空心橋為依托工程,采用兩輛自卸貨車進行靜載實驗,測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài),評價橋梁技術(shù)狀況,檢驗橋梁的實際承載能力是否滿足設(shè)計及正常使用狀況的要求,同時,建立橋面板的有限元模型,將模型的分析結(jié)果與荷載試驗實測的數(shù)據(jù)相比較,以此來驗證有限元模型的準(zhǔn)確性,得到如下結(jié)論:

1)孫家灣橋所使用的單跨鐵路跨線橋預(yù)應(yīng)力簡支空心橋面板承載能力滿足公路Ⅱ級設(shè)計荷載等級要求,可以正常通車,能夠很好的滿足使用要求。

2)工況1～工況2試驗荷載下,橋梁實測橋跨主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.36～0.51之間,均小于1,即橋跨結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足要求;實測橋跨主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.18～0.74之間,均小于1,即橋跨結(jié)構(gòu)強度滿足要求;卸載后撓度及應(yīng)變相對殘余均在20%范圍內(nèi),即橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3)為保證橋梁結(jié)構(gòu)在營運期間的安全性和耐久性,建議相關(guān)部門加強對通行車輛的管理,嚴(yán)格按照設(shè)計荷載進行限載通行,可在橋頭兩側(cè)做限重標(biāo)志。