某三跨變截面連續箱梁靜載試驗分析

陶永靖 孫藝恒

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京211112）

1 概述

20 世紀90 年代至今，我國新建橋梁數量占比世界橋梁總數的47%，平均每年新建公路橋梁高達2.57 萬座。隨著橋梁數量的快速增加，對橋梁運營期要求日益增加，為保證復雜橋梁等質量，需在交工驗收時開展橋梁荷載試驗，驗證其承載能力等是否符合設計、規范等要求。

2 工程概況

某特大橋全長1532.76m，跨徑布置為：2×（4×40）+5×40+2×49.5+（76+135+76）+2×（3×50）+2×（4×40）m，主橋上部結構為預應力混凝士變截面連續箱梁。單幅橋寬11.75m，雙向分離式斷面，單箱單室箱形截面，箱梁根部梁高8m，高跨比為1/16.875；箱梁高度從距墩中心2m 處到跨中合龍段處按1.8 次拋物線變化，除墩頂0 號塊設一個厚300cm 的橫隔板及邊跨端部設厚160cm 的橫隔板外，其余部位均不設橫隔板。

3 試驗內容

3.1 測試截面及測點布置

利用橋梁結構分析專用程序Midas/Civil 建立空間有限元模型進行結構計算分析，計算時機動車道采用公路-I 級荷載，根據活載作用下橋梁的內力包絡值圖確定該橋的控制測試截面。主要計算參數取值說明：

設計荷載為公路－Ⅰ級，考慮3 車道加載，橫向折減系數取用0.78；沖擊系數為0.05，偏載系數為1.15。二期恒載包括護欄、橋面鋪裝等，按均布荷載考慮，合計為71.3kN/m。

主橋計算模型如圖1 所示，內力包絡圖如圖2 所示，應變測試截面如圖3 所示，除墩頂負彎矩測試截面外，其它測試截面均布置位移測點，同時在支座布置位移計以便于對主梁撓度進行修正。現場試驗照片如圖4 所示。

3.2 加載工況

3.2.1 加載車型

本次靜載試驗采用總重分別為35t 三軸加載車。方案計算時取后軸軸距1.4m，前-中軸軸距3.5m，因篇幅有限，現場實際稱重及相關參數本文將不再贅述。

3.2.2 加載效率系數

主橋采用整體截面進行計算，各控制截面的加載效率系數如表1 所示。

3.2.3 車輛橫向布置

圖1 主橋有限元計算模型

圖2 設計活載作用下的彎矩包絡圖

圖3 主橋測試截面布置圖（單位：m）

圖4 現場試驗照片

表1 各測試截面加載效率系數匯總表

車輛橫向位置分為中載與偏載兩種方式布置，根據具體的布載方式，橫向布置原則為：對稱加載試驗時，以橋面中線為車列布置對稱線，橫向對稱布置；偏載時，以距護欄根部邊緣線0.5m 為起點，依次橫向布置，每列加載車間距均為1.3m。以對稱加載為例，車輛橫向布置位置如圖5～圖6 所示。

圖5 主橋兩列車對稱加載布置圖（單位：m）

圖6 主橋三列車對稱加載布置圖（單位：m）

3.2.4 試驗工況車輛載位布置

各試驗工況下車輛載位布置圖如圖7～9 所示。

圖7 工況1 車輛載位布置圖（單位：m）

圖8 工況2 車輛載位布置圖（單位：m）

圖9 工況3 車輛載位布置圖（單位：m）

4 測試結果分析

4.1 撓度測試結果

各工況作用下撓度數據分析見表2～表3 所示，撓度以向上為正、向下為負。

表2 工況1 實測與理論撓度對比表（單位：mm）

表3 工況3 實測與理論撓度對比表（單位：mm）

各個工況下測點的撓度總變形、殘余變形、相對殘余變形如表4 所示。

表4 各工況各加載方式作用下殘余變形分析表

由表中實測數據可知：

（1）在試驗荷載作用下，各控制截面的主梁撓度實測值均小于理論計算值，左幅邊跨撓度校驗系數0.59～0.60，中跨撓度校驗系數0.71～0.72，表明結構剛度滿足設計要求；

（2）在試驗荷載作用下，通過對對稱加載與偏載分析，實測該橋偏載系數介于1.04～1.13 之間，與設計取值1.15 較為接近，偏載系數可為后期養護結構計算提供參考。

（3）在試驗荷載作用下，各工況下實測撓度相對殘余變形均小于20%，滿足規范要求，表明結構在試驗荷載作用卸載后能及時恢復，處于彈性工作狀態。

4.2 應力測試結果

4.2.1 工況1 應力測試結果

工況1 對應測試截面的應力數據整理如表5～表6 所示，表中受拉為正，受壓為負。

對稱加載下腹板應力分布如圖10 所示。

4.2.2 工況2 應力測試結果

工況2 對應測試截面的應力數據整理如表7～表9 所示，表中受拉為正，受壓為負。

腹板應力分布圖11 所示。

表5 底板實測應力與理論應力對比表（單位：MPa）

表6 腹板實測應力與理論應力對比表（單位：MPa）

圖10 工況1 作用下腹板應力分布圖

表7 頂板實測應力與理論應力對比表（單位：MPa）

表8 底板實測應力與理論應力對比表（單位：MPa）

表9 腹板實測應力與理論應力對比表（單位：MPa）

表10 底板實測與理論應力對比表（單位：MPa）

表11 腹板實測與理論應力對比表（單位：MPa）

4.2.3 工況3 應力測試結果

工況3 對應測試截面的應力數據整理如表10～表11 所示，表中受拉為正，受壓為負。

對稱加載下腹板應力分布如圖12 所示。

4.2.4 應力測試結果分析

圖11 工況2 作用下腹板應力分布圖

圖12 工況3 作用下腹板應力分布圖

從上文表中數據分析可知：（1）在試驗荷載作用下，各正彎矩加載工況時，底板實測拉應力小于理論計算值，校驗系數介于0.69～0.83 之間，小于1.0，表面截面強度滿足要求；（2）在試驗荷載作用下，主墩支點負彎矩截面頂部翼緣板及腹板頂部處于受拉狀態，底板處于受壓狀態，拉應力增量小于理論值，校驗系數介于0.59～0.86 之間，小于1.0；表明截面強度滿足要求；（3）在試驗荷載作用下，各測試截面沿主梁高度應力分布基本滿足線形分布，與平截面假設基本一致，表明結構處于彈性工作狀態。

5 結論

本次對某特大橋主橋進行了成橋荷載試驗，通過對靜動載試驗數據整理與分析，總體結論如下：（1）在試驗荷載作用下，各控制截面的主梁撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數小于1.0，表明結構剛度滿足設計要求；（2）在試驗荷載作用下，各控制截面主梁的應力實測值均小于理論計算值，校驗系數小于1.0，表明各聯跨結構的強度滿足設計要求；（3）在試驗荷載作用下，通過對對稱加載與偏載分析，主橋偏載系數介于1.03～1.13 之間，與設計取值1.15 較為接近，表明實際結構橫向剛度較好，各主梁受力較均勻、無明顯突變。本次實測的偏載系數、橫向分布系數可為后期養護結構檢算提供參考；（4）在試驗荷載作用下，各工況下實測撓度相對殘余變形均小于20%，滿足規范要求，表明結構在試驗荷載作用卸載后能及時恢復，處于彈性工作狀態；（5）各主梁在試驗荷載作用下，沿主梁高度范圍內的應力分布基本呈線彈性分布，截面基本滿足平截面彈性變形假設，處于彈性工作狀態。