既有簡支空心板橋受彎荷載試驗研究

黃 帥，高杰義

（1.山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030006；2.山西晉北高速公路養(yǎng)護有限公司，山西 太原 030006）

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋建筑高度小、構(gòu)造簡單、預(yù)制裝配化程度高，能適應(yīng)各種形狀的彎、坡、斜橋，成為國內(nèi)高速公路、干線公路上使用最多和里程數(shù)最長的橋型。隨著橋梁運營周期的增長以及橋梁規(guī)范中汽車荷載等級的逐漸提高，我國在二十世紀末修建的一大批空心板橋的受彎承載力可能出現(xiàn)不滿足《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）要求的問題。在高速公路改擴建過程中如果完全拆除這批橋梁來建設(shè)新橋，需要耗費大量砂、石、水泥與鋼材，勢必給經(jīng)濟與環(huán)境帶來巨大負擔，與國家倡導(dǎo)的環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念相悖。部分檢測結(jié)果表明此類橋梁的主要病害是由于抗彎承載力不足導(dǎo)致的底板橫向裂縫以及橫向聯(lián)系不足導(dǎo)致的底板縱向裂縫。

1 工程概況

兩座跨徑為13 m與16 m的空心板橋梁體未見明顯病害，見表1。空心板橋主梁橫截面構(gòu)造見圖1。

圖1 空心板橋橫截面構(gòu)造/cm

表1 空心板橋梁

表1中兩座橋梁均依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）進行設(shè)計，13 m與16 m跨徑的混凝土空心板梁、鉸縫與10 cm厚整體化現(xiàn)澆混凝土層均采用40#混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用ASTM 416-87標準270級鋼絞線，抗拉強度為 1 860 MPa，松弛率為3.5%，13 m與16 m空心板采用Φj12.7鋼絞線。

2 簡支空心板橋受彎荷載試驗方案

試驗主要通過靜載試驗測定橋梁控制斷面在試驗荷載下的應(yīng)力和撓度，并與理論計算值相比較，以獲得橋梁的實際受力狀況，了解橋梁的服役狀況，評價橋梁在現(xiàn)行設(shè)計荷載下的工作性能[1-4]。

2.1 試驗工況

僅進行跨中截面最大彎矩工況的靜載試驗，根據(jù)空心板橋梁邊板與中板截面尺寸不同的特點，跨中截面最大彎矩工況分為邊板跨中截面最大彎矩工況、中板跨中截面最大彎矩工況。

2.2 試驗荷載

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的有關(guān)規(guī)定，同時考慮《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）（簡稱“老標準”）與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）（簡稱“新標準”）中車道荷載的差異，將空心板橋梁靜載試驗荷載老標準跨中彎矩效率系數(shù)控制在1.0左右，對應(yīng)的新標準跨中彎矩效率系數(shù)處于0.7～0.8范圍內(nèi)，數(shù)值見表2。

表2 試驗荷載效率系數(shù)（彎矩/（kN·m）、撓度/mm）

根據(jù)各空心板橋跨中彎矩與撓度最不利效應(yīng)值確定加載位置及加載車數(shù)量，選擇2輛40 t與2輛30 t三軸標準車進行加載，加載車主要技術(shù)指標見表3。

表3 加載車尺寸與重量

2.3 加載位置

加載目的是使邊板和中板受力達到最不利狀態(tài)，由于預(yù)制拼裝板梁橋橫向分布明顯的特點，只要合理地布置加載車橫、縱向位置一次即可同時完成中梁與邊梁最不利加載，而不需分別進行中載與偏載試驗。

試驗加載車縱向加載位置通過測試工況對應(yīng)的影響線確定。選用一定數(shù)量的加載車作用于影響線數(shù)值較大處，為了減少車輛調(diào)度次數(shù)，縮短試驗時間，可對加載工況進行適當?shù)睾喜ⅲm當?shù)卣{(diào)整加載車輛位置和間距，同時，滿足各試驗項目的荷載效率系數(shù)要求，使一個加載載位可以兼顧多個試驗項目。各試驗工況的車輛縱向輪載位置見圖2，橫向輪載位位置見圖3。

圖2 縱向輪載位置/m

圖3 橫向輪載位置/cm

2.4 測點布置

試驗所有應(yīng)變與變形測點均布置在橋梁跨中截面。橋梁豎向變形采用百分表測量，橋梁應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片測量，溫度補償采用同環(huán)境條件、同材料屬性單點補償。

3 有限元模型

采用Midas civil有限元軟件分別建立13 m、16 m跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋的梁格模型[5-6]，見圖4。

圖4 空心板橋有限元模型

空心板梁與橫梁均采用6自由度梁單元模擬，釋放橫梁單元的繞空心板梁軸向的轉(zhuǎn)動約束。為了對比分析預(yù)制空心板上方10 cm后澆混凝土層對橋梁受彎性能的影響，分別采用圖5的兩種截面進行建模。對計算模型施加簡支邊界，模型所用材料性能均與前文介紹保持一致。移動荷載采用程序自帶的車道荷載模擬，采用實測的尺寸與軸重在模型相應(yīng)位置施加集中荷載來模擬試驗加載車。

圖5 兩種計算截面（僅示出中板）

4 靜載試驗測試結(jié)果與分析

13 m、16 m兩種跨徑空心板梁在試驗荷載作用下的下緣應(yīng)力結(jié)果見表4與圖6、圖7。

表4 空心板梁下緣應(yīng)力試驗值與理論分析值

圖6 13 m跨徑空心板下緣應(yīng)力對比

圖7 16 m跨徑空心板下緣應(yīng)力對比

可以看出，兩座空心板橋的應(yīng)力實測值普遍小于有限元計算值，應(yīng)力實測值與考慮10 cm混凝土現(xiàn)澆層參與受力的應(yīng)力理論計算值的比值主要處于0.67～1.0之間，應(yīng)力實測值與不考慮10 cm混凝土現(xiàn)澆層參與受力的應(yīng)力理論計算值的比值主要處于0.33～0.86之間，說明橋梁具有良好的工作性能，并具有一定的安全儲備。卸載后空心板梁殘余應(yīng)變較小，表明兩座空心板梁橋在試驗荷載作用下均處于彈性工作狀態(tài)。

對比圖6、圖7中三種應(yīng)力結(jié)果可知，對于設(shè)置后澆混凝土層的空心板橋，在計算分析時如果不考慮后澆混凝土層對空心板抗彎的影響，則會使得理論計算值偏大，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏保守，在橋梁設(shè)計過程中，將混凝土后澆層對空心板抗彎性能的提升作為設(shè)計儲備是合理的。但在建立空心板橋荷載試驗用有限元模型時，應(yīng)考慮混凝土后澆層的影響，否則會影響對試驗測試結(jié)果的判斷。進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，兩座橋的橫向分布性能較好，均表現(xiàn)出由加載側(cè)向非加載側(cè)受力逐漸減小的趨勢。

5 結(jié)語

（1）兩座空心板橋的應(yīng)力校驗系數(shù)均＜1，理論值均大于實測值，結(jié)構(gòu)強度滿足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求，并有一定的承載潛力。（2）兩座空心板橋的應(yīng)力實測值與有限元分析值的變化趨勢均吻合良好，但應(yīng)力實測值與考慮10 cm后澆混凝土層的有限元分析結(jié)果更為接近，表明推薦的有限元模擬方法能很好地反映空心板橋的實際狀態(tài)。（3）設(shè)置后澆混凝土層的空心板橋，建議在進行設(shè)計計算分析時不考慮后澆混凝土層，這樣可以增加結(jié)構(gòu)的承載能力儲備，在研究結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)時，需考慮混凝土后澆層的影響，否則會影響對結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)的判斷。