無(wú)主筋UHPC預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋荷載試驗(yàn)研究

方明，趙作富

(廣州公路工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510075)

通常通過(guò)荷載試驗(yàn)評(píng)定新建橋梁的實(shí)際承載能力和工作性能，用于指導(dǎo)橋梁運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)。段文杰等對(duì)某連續(xù)梁橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該橋承載能力符合設(shè)計(jì)要求。張鵬等對(duì)單跨下承式鋼管混凝土拱橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，結(jié)果表明該橋處于彈性工作狀態(tài)，整體剛度大于理論值，且吊桿索力分布均勻，其大小與設(shè)計(jì)值吻合。劉耀東等對(duì)六塔七跨波形鋼腹板PC箱梁斜拉橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，結(jié)果表明該橋主塔具有足夠的強(qiáng)度和剛度，斜拉索受力合理，主橋動(dòng)力性能良好，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力和理論計(jì)算基本一致，滿足設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)要求。廣州北環(huán)高速公路沙貝立交F匝道橋?yàn)橹袊?guó)首座無(wú)主筋工字形UHPC(超高性能混凝土)預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋，屬于特殊結(jié)構(gòu)形式的橋梁，成橋后通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行靜力和動(dòng)力特性檢測(cè)尤為重要。

1 工程概況

廣州北環(huán)高速公路沙貝立交F匝道既有橋梁跨度為10 m，橋下凈空為4.0 m，限高3.5 m。擬擴(kuò)建為跨徑16 m預(yù)應(yīng)力UHPC簡(jiǎn)支工字形梁橋，橋梁由6片梁(4片中梁和2片邊梁)組成，梁頂設(shè)置15 cm厚C50混凝土和2 cm厚瀝青超薄磨耗層橋面鋪裝。梁體采用預(yù)制安裝，預(yù)制梁寬0.40 m、高0.62 m，跨中腹板厚度為10 cm，支點(diǎn)附近腹板厚度為40 cm，腹板加厚段長(zhǎng)0.5 m。各片梁之間采用3 cm厚預(yù)制UHPC板連接，每個(gè)支點(diǎn)處設(shè)置一道端橫隔板。橋型和跨中橫斷面布置分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 無(wú)主筋UHPC預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋橋型

圖2 無(wú)主筋UHPC預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋跨中橫斷面布置(單位：cm)

2 靜載試驗(yàn)

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立沙貝立交F匝道橋有限元模型(見(jiàn)圖3)，尺寸按照實(shí)際結(jié)構(gòu)模擬。建模時(shí)作如下假設(shè)：混凝土、鋼筋為理想彈性材料；截面變形符合平截面假定；考慮混凝土鋪裝對(duì)上部結(jié)構(gòu)抗彎剛度的影響；不考慮防撞墻對(duì)邊梁抗彎剛度的影響。

圖3 無(wú)主筋UHPC預(yù)制簡(jiǎn)支梁有限元模型

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

(1)撓度、沉降測(cè)點(diǎn)布置。在各片梁體跨中底面設(shè)置1個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)。在各片梁體橋臺(tái)底面設(shè)置1個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，共12個(gè)。

(2)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置。應(yīng)變測(cè)試斷面為跨中截面，測(cè)點(diǎn)布置在各片UHPC梁底面和3#梁腹板側(cè)面，其中3#T梁腹板側(cè)面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)荷載工況

靜載試驗(yàn)采用偏載試驗(yàn)工況，使跨中彎矩達(dá)到最大。試驗(yàn)采用4輛雙后軸載重汽車(chē)，車(chē)輛的軸距和軸重見(jiàn)表1，試驗(yàn)荷載加載順序見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛的軸距和軸重

表2 試驗(yàn)荷載加載順序

2.4 加載效率

根據(jù)JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況，靜載試驗(yàn)以跨中截面設(shè)計(jì)彎矩作為控制彎矩。滿載時(shí)3#梁跨中彎矩理論計(jì)算值為722.6 kN·m，試驗(yàn)計(jì)算值為630.0 kN·m，試驗(yàn)荷載加載效率為0.87。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.5.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與分析

各級(jí)荷載作用下UHPC梁應(yīng)變實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3，3#梁試驗(yàn)彎矩效率見(jiàn)表4。

表3 各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值

表4 各級(jí)荷載作用下3#梁試驗(yàn)彎矩效率

3#梁實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變沿梁高的分布見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)其應(yīng)變沿梁高基本呈線性變化。

圖4 各級(jí)荷載作用下3#梁應(yīng)變沿截面高度的分布

3#梁底實(shí)測(cè)加載效率-平均應(yīng)變見(jiàn)圖5。從圖5可見(jiàn)其實(shí)測(cè)梁底應(yīng)變值與理論計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本一致。

圖5 各級(jí)荷載作用下3#梁底面梁底加載效率-平均應(yīng)變

滿載時(shí)控制截面各梁梁底應(yīng)變實(shí)測(cè)值、殘余應(yīng)變、彈性應(yīng)變、理論計(jì)算應(yīng)變、校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余應(yīng)變見(jiàn)表5，實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各梁梁底彈性應(yīng)變均小于理論計(jì)算應(yīng)變，實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線與理論計(jì)算應(yīng)變曲線的變化規(guī)律一致，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足承載能力極限狀態(tài)；各梁相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.02～0.07，表明結(jié)構(gòu)整體彈性狀態(tài)較好。

表5 滿載時(shí)跨中梁底應(yīng)變值

圖6 滿載時(shí)跨中截面實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變與理論值對(duì)比

2.5.2 撓度測(cè)試結(jié)果與分析

各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表6，滿載時(shí)跨中截面撓度修正值、卸載后殘余變形值、最大彈性撓度、理論計(jì)算撓度、校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余位移見(jiàn)表7，滿載時(shí)實(shí)測(cè)彈性撓度與理論計(jì)算撓度對(duì)比見(jiàn)圖7。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，滿載時(shí)跨中截面各測(cè)點(diǎn)彈性撓度均小于理論計(jì)算值，實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線與理論計(jì)算應(yīng)變曲線的變化規(guī)律一致，撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)剛度滿足正常使用極限狀態(tài)；各梁相對(duì)殘余位移為0.05～0.09，結(jié)構(gòu)整體彈性狀態(tài)較好。

表6 各級(jí)荷載作用下各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值

表7 滿載時(shí)跨中截面撓度值

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)跑車(chē)試驗(yàn)。取一輛27 t車(chē)輛按20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度進(jìn)行跑車(chē)試驗(yàn)，測(cè)量不同行駛速度下控制截面的動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)撓度。

(2)脈動(dòng)試驗(yàn)。采用高靈敏度的傳感器和放大器測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境振動(dòng)作用下的振動(dòng)，然后對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，求出結(jié)構(gòu)自振特性。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

在跨中和1/4跨布設(shè)3個(gè)豎向加速度傳感器，在跨中布設(shè)1個(gè)水平向加速度傳感器。

3.3 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

橋梁阻尼比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。該橋阻尼比為0.04，阻尼比合理。

圖8 阻尼比測(cè)試結(jié)果

各車(chē)速下跨中截面實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見(jiàn)表8，與規(guī)范理論計(jì)算值0.351接近，表明橋面平順。

表8 不同車(chē)速時(shí)跨中截面實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)

結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻譜見(jiàn)圖9，結(jié)構(gòu)的固有頻率為7.875 Hz。利用MIDAS/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，結(jié)果見(jiàn)圖10，結(jié)構(gòu)理論基頻為5.28 Hz。結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)固有頻率比理論值大，橋梁動(dòng)剛度滿足使用要求。

圖9 實(shí)測(cè)頻譜

圖10 一階陣型

4 結(jié)論

(1)靜載作用下，廣州北環(huán)高速公路沙貝立交F匝道橋各跨中截面的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求，各梁相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.02～0.07，相對(duì)殘余位移為0.05～0.09，該橋滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)整體彈性狀態(tài)較好。

(2)動(dòng)載作用下，廣州北環(huán)高速公路沙貝立交F匝道橋?qū)崪y(cè)固有頻率為7.875 Hz，比理論固有頻率5.28 Hz大，該橋具有良好的動(dòng)力特性，滿足使用要求。