5 跨鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋靜載試驗與承載能力評估

曾勇 姜雨航 況楊 余滔 李強

1.重慶交通大學山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室 400074

2.重慶市涪陵區(qū)交通規(guī)劃與技術(shù)發(fā)展中心 408000

3.中冶建工集團有限公司 重慶400084

引言

由于我國交通發(fā)展愈加迅速，各類型橋梁結(jié)構(gòu)在不同的地形地貌上得以廣泛使用［1-3］。鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋［4-6］區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁橋，同時擁有鋼構(gòu)橋質(zhì)量輕與鋼筋混凝土梁橋施工方便的優(yōu)點，并且解決了剛構(gòu)橋橋面板容易開裂的問題，在跨度較大地山區(qū)橋梁［7］中運用廣泛。為保證此類型橋梁的可靠性，對其結(jié)構(gòu)剛度、強度的性能研究非常必要。靜力荷載試驗［8］根據(jù)有限元模擬計算擬定測點，將靜載施加于已擬定的測點上，通過應(yīng)變片與水準儀分別提取測點的應(yīng)力與位移，跟理論計算出的應(yīng)力值與位移值做比較，從而準確判斷在荷載作用下的使用能力與工作性能。劉明東［9］基于傳統(tǒng)的荷載試驗方法，提出實測橋梁結(jié)構(gòu)柔度矩陣方法，提高了對橋梁承載力評估的準確性。曹小博［10］通過對鋼混疊合梁負彎矩區(qū)模型分析與理論計算，詳細地講述了鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋受彎承載力與彈性極限彎矩的計算方法。

本文以某鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋為研究基礎(chǔ)，通過荷載試驗，得到不同偏載工況下主跨測試界面的應(yīng)力應(yīng)變及位移，與由有限元分析［11］建立的理論模型計算值做計算處理，驗證橋梁在荷載作用下的工作性能與承載能力。為同類型橋梁結(jié)構(gòu)評估提供試驗實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

山區(qū)基5 跨鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋。橋梁總長110.08m，橋面有橫縱坡，橫坡數(shù)值為雙向2%，縱坡數(shù)值為單向-0.744%，橋梁全寬8.9m。橋梁跨徑布置分別為3.04m（橋臺）＋16m ＋3 ×24m＋16m ＋3.04m（橋臺）。橋梁橫斷面布置分別為0.45m（欄桿）＋6m（行車道）＋2m（人行道）＋0.45m（欄桿）。下部結(jié)構(gòu)以柱式墩作為基礎(chǔ)，橋臺均使用柱式臺結(jié)構(gòu)。此橋設(shè)計汽車荷載為公路—Ⅱ級，人群荷載取3.5kN／m2。該橋布置如圖1所示。

圖1 鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋布置Fig.1 Layout of steel-concrete composite continuous girder bridge

2 靜力荷載試驗

2.1 模型計算荷載

根據(jù)現(xiàn)有資料，參考文獻［12，13］利用有限元軟件MIDAS／Civil 2020 進行模擬分析，演算時，鋼主梁模擬為梁單元，混凝土橋面板模擬為板單元。荷載類型主要選取車輛荷載與人群荷載。車輛荷載分為滿布于車道的均布荷載與作用于橋跨跨中的集中荷載，人群荷載為滿布于人行道的均布荷載，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015），車輛均布荷載取7.35kN／m，集中荷載取308kN，人群均布荷載取3.13kN／m。將荷載布置于最不利面上，并且考慮沖擊影響對橋梁結(jié)構(gòu)的作用。模型計算得到每跨主梁的位移值和應(yīng)變值，作為靜力試驗的控制內(nèi)力依據(jù)［14］。有限元計算模型見圖2。

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element calculation model

2.2 荷載試驗測試方法

荷載試驗測試方法如下：

（1）撓度均使用測試分辨率為±0.01mm 的精密水準儀測量，撓度測點布置于截面上下游兩側(cè)，各邊布置12 個測點。

（2）此橋主梁為鋼混疊合梁，故應(yīng)力測試截面應(yīng)布置于鋼梁底部，測量使用的應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變儀的測試分辨率為±1 ×10-6。全橋設(shè)置3個應(yīng)力測試截面。

（3）初步使用肉眼觀察測試截面裂縫情況，對較大裂縫處使用儀器測量縫寬。

2.3 測點布置

1.撓度測點

為研究加載靜力荷載后橋梁結(jié)構(gòu)的位移情況，考慮現(xiàn)場條件及橋梁橫坡2%、縱坡-0.744%的影響，在橋跨最不利荷載面上下游兩端分別布置10 個測點，每截面設(shè)置2 個測點。撓度測點立面和平面布置如圖3 所示。

圖3 撓度測點布置Fig.3 Layout of deflection measuring points

2.應(yīng)變測點

應(yīng)力（應(yīng)變）測試截面位置由有限元分析模型計算確定，為避免局部加強點對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，不在局部加強位置設(shè)置測試截面。詳細測試截面位置見表1 及圖4a，J1、J3 應(yīng)變測試截面布置及應(yīng)變片編號見圖4b，J2 應(yīng)變測試截面布置及應(yīng)變片編號見圖4c。應(yīng)變片系列、規(guī)格均相同。

圖4 應(yīng)變測試截面位置、 布置及編號Fig.4 Location，layout and numbering of strain test section

表1 應(yīng)變測試截面匯總Tab.1 Summary of strain test section

2.4 試驗荷載

此次靜載試驗選取三軸車作為靜力荷載，試驗加載車型見圖5，詳細試驗加載車規(guī)格見表2。

表2 加載車規(guī)格Tab.2 Loading car specifications

圖5 試驗加載車型示意Fig.5 Schematic diagram of test loading vehicle

2.5 荷載布置

靜力荷載試驗現(xiàn)場應(yīng)嚴格確認每輛車的質(zhì)量，并按照試驗要求確定各車輛排列位置，共組成3 類工況的加載，工況1 ～3 靜載布置如圖6所示。工況1 為J1 截面最大正彎矩左側(cè)偏載、J2截面最大負彎矩左側(cè)偏載，工況2 為J3 截面最大正彎矩左側(cè)偏載，工況3 為J1 截面最大正彎矩右側(cè)偏載、J2 截面最大負彎矩右側(cè)偏載。

圖6 各工況車輛布置Fig.6 Vehicle layout in various working conditions

2.6 試驗荷載效率

本橋的加載方式為載重汽車，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、強度及工作性能，試驗荷載效率系數(shù)應(yīng)處于0.85 ～1.05 之間。詳細工況荷載效率計算結(jié)果見表3。

表3 各工況荷載效率系數(shù)Tab.3 Load efficiency coefficient of various working condition

3 試驗結(jié)果

3.1 撓度測試結(jié)果

由有限元分析模型計算出的主梁撓度值，與在現(xiàn)場車輛加載實測的主梁撓度值相比，比值的大小可判斷橋梁撓度是否符合標準規(guī)范。由于工況2、3 數(shù)據(jù)展現(xiàn)的結(jié)論與工況1 較為類似，限于篇幅，只列出工況1 的數(shù)據(jù)情況。工況1 上、下游側(cè)撓度實測值與計算值對比見圖7。

圖7 工況1 上、 下游側(cè)計算撓曲線與實測撓曲線對比Fig.7 Comparison of calculated deflection curves and measured deflection curves on the upstream and downstream sides of working condition 1

分析圖7 實測撓曲線與計算撓曲線的位置情況，可知計算撓曲線包絡(luò)住實測撓曲線，表明測試截面梁跨位移符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。實測撓曲線光滑連續(xù)，且與理論撓曲線曲率與變化率基本一致，表明工況1 橋梁撓度變化與有限元模型計算一致，橋梁結(jié)構(gòu)整體變形合理。

3.2 應(yīng)力測試結(jié)果

在擬定的靜力荷載加載情況下，分別收集鋼-混疊合梁中鋼梁應(yīng)變與混凝土橋面板應(yīng)變數(shù)據(jù)值，由于工況2、3 數(shù)據(jù)比較結(jié)果與工況1 數(shù)據(jù)比較結(jié)果較為類似，限于篇幅，只展示工況1的數(shù)據(jù)情況。測試截面應(yīng)變與計算應(yīng)變的比較見表4、表5。

表4 J1 截面實測應(yīng)變與計算應(yīng)變的比較（工況1）Tab.4 Comparison of measured strain and calculated strain of J1 section（working condition 1）

表5 J2 截面實測應(yīng)變與計算應(yīng)變的比較（工況1）Tab.5 Comparison of measured strain and calculated strain of J2 section（working condition 1）

分析工況1 實測應(yīng)變與計算應(yīng)變可知，測試截面上下游兩側(cè)端部應(yīng)變很小，幾乎可以忽略不計。測試截面鋼梁上緣與混凝土板下緣實測應(yīng)變值跟計算應(yīng)變值差距較小，且實測應(yīng)變值小于計算應(yīng)變值，表明橋梁工作性能良好。校驗系數(shù)處于0.54 ～0.95，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。依據(jù)文獻［15］，卸載后的殘余應(yīng)變處于合理范圍。

3.3 裂縫觀測結(jié)果

經(jīng)觀測，測試界面施加靜力荷載前后均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。

3.4 結(jié)構(gòu)剛度分析結(jié)果

為了更加便利地比較橋梁撓度實測值與計算值，用以驗證結(jié)構(gòu)剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定，將各工況測試截面撓度變化匯總于表6。

由表6 可知，各工況理論模型計算撓度值大于靜力荷載試驗實測撓度值，表明橋梁正常工作時位移正常。靜力荷載試驗實測撓度最大增長量為11.5mm，為橋梁計算跨徑的1／2087，滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。卸載后，殘余應(yīng)變最大值為17.7%，處于合理范圍。

表6 各工況測試截面撓度變化Tab.6 Changes in deflection of test sections under various working conditions

綜合分析，橋梁的正常工作性能良好，結(jié)構(gòu)剛度能得到保證。

3.5 結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果

為了更加便利地比較各測點鋼梁與混凝土板的應(yīng)力值與理論計算應(yīng)變值，用以驗證結(jié)構(gòu)剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的要求，將各工況鋼梁與混凝土板應(yīng)變檢測結(jié)果匯總于表7。

由表7 可知，各工況測試截面鋼梁有限元模型計算應(yīng)力值大于靜力荷載試驗實測應(yīng)力值，且卸載后殘余應(yīng)變也在合理范圍之內(nèi)。混凝土板實測應(yīng)力值與鋼梁實測應(yīng)力值相比較小，最大拉應(yīng)力0.59MPa，最大壓應(yīng)力1.04MPa，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。

表7 測試截面應(yīng)力檢測結(jié)果匯總Tab.7 Summary of stress detection results of test section

綜合分析，橋梁受靜載作用應(yīng)力應(yīng)變值正常，處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)強度能得到保證。

4 結(jié)語

本文通過對某鋼-混凝土疊合連續(xù)梁橋做靜力荷載試驗，對比有限元模擬計算與靜載試驗實測結(jié)果，綜合各種因素得出以下結(jié)論：

1.加載靜力荷載后，各工況測試截面撓度最大值均小于有限元模型計算值，且撓度校驗系數(shù)處于0.72 ～0.99 之間，在正常范圍之內(nèi)。卸載后，靜力荷載試驗測得的最大殘余變形為17.7%，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）的要求。荷載試驗實測撓曲線光滑連續(xù)，且與理論撓曲線曲率和變化率基本一致，橋梁結(jié)構(gòu)整體變形合理，正常工作性能良好，結(jié)構(gòu)剛度滿足相關(guān)設(shè)計、規(guī)范規(guī)定要求。

2.加載靜力荷載后，各工況實測鋼梁與混凝土板應(yīng)力小于理論計算值，橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)強度滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）要求。

3.靜力荷載加載前后，試驗測點處未觀測到明顯裂縫。

綜上，可認為橋梁工作性能良好，受力狀態(tài)合理，結(jié)構(gòu)剛度、強度均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG／T J21—2011）的要求。