大跨度鋼筋混凝土組合梁橋靜載測試及初應(yīng)力分析

曾雙雙

摘要 大跨度鋼筋混凝土組合橋梁頂推法施工后，成橋載荷測試比普通橋梁的成橋載荷試驗更具有質(zhì)量控制意義。文章以某頂推法施工的組合梁橋靜載測試為例，梳理該靜載試驗、有限元分析驗證的相關(guān)過程、技術(shù)要點及分析結(jié)果。結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)梁橋的實際應(yīng)用狀態(tài)優(yōu)于設(shè)計狀態(tài)。現(xiàn)場靜載試驗與有限元分析驗證方式，對大跨度鋼筋混凝土組合梁橋成橋質(zhì)量檢測和評估，具有一定工程檢測參考性。

關(guān)鍵詞 組合梁橋；大跨度；靜載測試；有限元驗證；初應(yīng)力分析

中圖分類號 U445文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0060-03

0 引言

鋼筋混凝土組合橋梁由耐剪件連接鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件，具有連接緊密、自身重量輕、載承性能好、形式美觀等特點。跨越公路或鐵路的鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，其跨越段施工多采取多點同步步履式頂推工法施工，即按照頂推操作設(shè)計，借助頂推裝備，將預(yù)制組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)推進(jìn)到目標(biāo)位置。但大跨度組合梁頂推施工面臨更嚴(yán)格的成橋初期結(jié)構(gòu)防過撓、防開裂的質(zhì)量控制問題，因此該橋型該工法施工下，成橋載荷試驗必不可少，并且比普通橋梁的成橋載荷試驗更具有質(zhì)量控制意義。

1 工程概況

某大跨度連續(xù)鋼箱－混凝土組合橋梁，橋面寬12.75 m，雙向4車道，公路I級載荷。梁平面位處直線段，順橋向位處縱坡+2.17%位置。1～7#墩采取雙柱橋墩設(shè)計，下設(shè)群樁基礎(chǔ)及承臺，兩岸均采取重力橋臺結(jié)構(gòu)。采用多點同步步履式頂推工法施工，考慮混凝土澆注對工期的影響以及頂推操作中易發(fā)生混凝土開裂，所以采取先進(jìn)行槽型鋼梁頂推，待鋼梁就位后，再原位澆注混凝土。采取的多點同步步履式頂推施工方案如下：在橋梁其中一側(cè)的橋臺后配置鋼梁裝配區(qū)，用于鋼梁的起吊和拼裝。同時設(shè)置鋼梁接駁區(qū)域，用于拆卸鋼導(dǎo)梁。在制造、運輸槽型鋼梁和布置頂推設(shè)備的同時，在裝配區(qū)布設(shè)鋼梁節(jié)段拼接焊場和頂推設(shè)備。鋼梁通過側(cè)便道運至裝配區(qū)，裝配鋼導(dǎo)梁后，向前頂推2～3個節(jié)間。一節(jié)單體鋼梁長度10 m，制作完成后，預(yù)先拼接好并通過便道運達(dá)起吊作業(yè)位，由履帶吊或龍門吊提到拼接臺，與鋼導(dǎo)梁完成連接，然后向前頂推鋼梁。頂推到位以后，下落簡支至永久支撐座，接著連續(xù)下落至臨時支撐座，其高度應(yīng)比永久支座高出25～30 cm。澆注連續(xù)墩頂兩側(cè)混凝土底板，其板寬5 m、板厚40 cm。底板與鋼箱梁相互結(jié)合后，再澆注跨中墩頂兩側(cè)橋面板。當(dāng)橋面板混凝土具有足夠強度后，可以繼續(xù)將支撐點降低25～30 cm。為方便導(dǎo)梁的操作和拆除，需要設(shè)置導(dǎo)梁接引平臺和拆卸操作平臺，同時利用履帶吊懸臂進(jìn)行導(dǎo)梁的拆除以及平臺和頂推設(shè)施的拆除。

2 大跨度鋼筋混凝土組合梁現(xiàn)場靜載試驗

2.1 靜載試驗方案

為了確保大跨度鋼筋混凝土組合橋梁符合安全使用標(biāo)準(zhǔn)，橋梁建成后需要對其進(jìn)行靜載試驗，以保證其在實際使用狀態(tài)下的安全性。主要靜載試驗內(nèi)容包括測試在試驗載荷影響下的橋梁形變和應(yīng)力，特別是在橋梁最不利受力位置的撓度應(yīng)變測試[1]。

在最不利內(nèi)部應(yīng)力位置布置試驗載荷，選取屬于跨中的第三跨和第四跨進(jìn)行試驗。根據(jù)JTG/T J21-01—2015公路橋梁載荷試驗規(guī)程，試驗載荷效率η應(yīng)滿足：

式中，μ——沖擊系數(shù)；η——靜力試驗載荷效率；SS——試驗載荷影響下，斷面對控制斷面變位或內(nèi)力最大理論效應(yīng)值；S——設(shè)計活載不計沖擊載荷作用時發(fā)生的斷面對應(yīng)控制面變位或內(nèi)力最不利理論效應(yīng)值。

采取三軸載重汽車實施試驗加載，根據(jù)各個控制斷面的加載效率，并在滿足試驗要求的前提下，盡可能控制加載車輛的數(shù)量。選用試驗車總重為400 kN，其中中后軸總重為300 kN，前軸總重量為100 kN。考慮到中載影響下的結(jié)構(gòu)受力情況，在開始靜載試驗前，會根據(jù)測試要求，對加載車輛進(jìn)行配重，并對每輛車輛編號，以保證整個試驗過程中加載重量的變化較小。加載車輛的配重情況見表1所示。

靜載試驗中采用三級分級加載。在試驗加載期間，需要特別注意觀察測量點的形變情況，如果發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止加載。卸載采取一次性卸載完畢。正常情況下，試驗加載應(yīng)該一直施加載荷直到額定值，但如果出現(xiàn)以下情況之一，應(yīng)立即停止加載并分析原因：

（1）測量點應(yīng)力值突破規(guī)范允許值。

（2）測量點撓度超過規(guī)范允許值。

（3）裂隙超過限制值。

為了保證靜載試驗加荷過程的安全性，在完成一級加荷后，應(yīng)對最大應(yīng)力點和形變點進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測和觀察。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和理論分析，案例橋梁選擇跨度最大的橋跨進(jìn)行載荷試驗。試驗采用最不利影響位置的加載方式，并采取公路-I級載荷作為設(shè)計載荷。加載時，每輛車的載重為400 kN，并采用三級加載方式。試驗載荷效應(yīng)效率遵循表2規(guī)定[2]。

2.2 現(xiàn)場靜載評測標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗收系數(shù)、相對殘余應(yīng)變等指標(biāo)，評測橋梁建成后的性能表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)驗收系數(shù)ζ用于評估建筑物的結(jié)構(gòu)安全性，當(dāng)ζ＜1.0時，表示工程實際情況好于理論設(shè)計情況。

式中，Se——經(jīng)過實際測量得出的彈性應(yīng)變或位移值；Ss——根據(jù)理論計算得出的位移值或應(yīng)變。殘余應(yīng)變的相對值ΔS越小，表明結(jié)構(gòu)越處于彈性狀態(tài)，規(guī)范要求ΔS不超過20%。

2.3 現(xiàn)場靜載測試結(jié)果與分析

2.3.1 現(xiàn)場靜載實測數(shù)據(jù)

在中等載荷工況下，進(jìn)行三級載荷，對最不利的位置進(jìn)行加荷試驗，并對每個測量點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因為現(xiàn)場應(yīng)變檢測是通過電阻應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，不能直接獲得測量點應(yīng)力值。根據(jù)公式（6），可以通過測量點實際測量應(yīng)變值以及結(jié)構(gòu)部件的彈性模量計算獲得測量點應(yīng)力值。發(fā)現(xiàn)在同級載荷加荷下，各個測量點的應(yīng)力和應(yīng)變實際測量值變化不大。表明在靜力載荷影響下，鋼筋混凝土組合梁同一斷面多個測量點的應(yīng)力值相近。這類橋梁具有較好的抗扭性能。從表3中可以看出，在中等載荷工況下，梁體左右兩側(cè)的撓度差別不大。在逐級加載的情況下，實際測量撓度相應(yīng)增加。三級加荷時，7處測量點的撓度實測值較大。在左右兩側(cè)取均值后，實際測量最大撓度為?19.41 mm。

2.3.2 應(yīng)變檢測結(jié)果

根據(jù)表3所示的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)和相對殘余應(yīng)變，可以看出相對殘余應(yīng)變的最小值為0.93%，出現(xiàn)在中載影響下的測量點Ⅲ，而最大值為1.87%，出現(xiàn)在中載影響下的測量點Ⅰ和測點Ⅳ。中性軸以下的測點實際測量應(yīng)變值均低于理論值。箱梁測試斷面實際測量應(yīng)變校驗系數(shù)在0.78～0.82之間，符合公路橋梁載承能力檢測評定規(guī)程中的應(yīng)變校驗系數(shù)≤1.0和相對殘余應(yīng)變<0%的允許值要求，表明橋梁實際狀態(tài)好于理論狀態(tài)。

2.3.3 撓度檢測結(jié)果

該橋的第三跨和第四跨之間設(shè)置了九個測點進(jìn)行撓度測試。在此工況下，橋梁的相應(yīng)殘余變形與結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)具體見表4～5所示。

數(shù)據(jù)顯示，在中等負(fù)載狀態(tài)下，梁體左右兩側(cè)的撓度差異不大，撓度值校驗系數(shù)在0.55～0.91之間。盡管在橋墩處發(fā)生了殘余形變，但最大殘余變形僅達(dá)到18.00%。這滿足了公路橋梁載承能力檢測評定規(guī)程中撓度值校驗系數(shù)≤1.00的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且相對殘余形變低于允許值20%，表明該橋在抗御變形方面的性能良好。在試驗載荷影響下，橋梁測試斷面的撓度、應(yīng)變校驗系數(shù)以及相對殘余撓度等指標(biāo)均滿足了公路橋梁載承能力檢測規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)要求，顯示該橋結(jié)構(gòu)的強度和剛度均滿足了公路-I級活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求。

3 有限元分析驗證

3.1 有限元模型驗證

采用有限元模擬進(jìn)行3級加載測試，得到了在同一斷面多個測量點的應(yīng)變實測結(jié)果與理論計算值相差不大的結(jié)果，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭性能。在1級加載下，應(yīng)變實際測量值與理論值的差異不超過25%；在2級加載下，應(yīng)變實際測量值與理論值的差異不超過40%；在3級加載下，應(yīng)變實際測量值與理論值的差異不超過16%。由于應(yīng)變測量結(jié)果受到環(huán)境因素的較大影響，因此我們可以看到在3級加載下，應(yīng)變實際測量值與理論值的吻合程度較好并且實際測量值均低于理論值。

在相應(yīng)的加荷工況下，垂向撓度值的實際測量值與理論值的對比如圖1所示。實際測量槽型鋼梁最大撓度值為?19.41 mm，并且實際測量值均低于理論值。在1級加荷撓度值實際測量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)比較測量點6和測點7有較大差異，其余測量點均在20%以內(nèi)。在2級加荷撓度值實際測量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)比較測量點7和測點8有較大差異，其余測量點均在20%以內(nèi)。在3級加荷撓度值實際測量值與理論值比較結(jié)果中，撓度值結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)測量點7有較大差異，其余測量點均在20%以內(nèi)。由此可知，在分級加荷中，各級加荷下?lián)隙戎祵嶋H測量值與理論值之間吻合較好，這也驗證了模型的可靠性[3]。

3.2 初應(yīng)力分析

采用經(jīng)過驗證的有限元模型，模擬組合梁的初始應(yīng)力狀態(tài)。模擬分析結(jié)果顯示，混凝土在支座處的最大拉應(yīng)力較大，由支座處向橋梁跨度中心位置逐漸減小。該混凝土采用C50標(biāo)準(zhǔn)，軸心抗拉強度的設(shè)計值是2.64 MPa。在試驗載荷影響下，橋梁支撐座處存在開裂隱患，預(yù)計開裂范圍約占梁跨度16%～38%。槽型鋼梁的最大壓應(yīng)力?111.40 MPa，最大拉應(yīng)力107.90 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在支座處，隨著距離支座越遠(yuǎn)，應(yīng)力逐漸減小，直至跨中位置。該槽型鋼梁采用Q345標(biāo)準(zhǔn)，抗壓與抗拉強度的設(shè)計值均為310 MPa，應(yīng)力水平在屈服值的36%左右。

4 結(jié)語

以上所述，基于工程案例，介紹了綜合應(yīng)用現(xiàn)場靜載試驗和有限元驗證分析的大跨度鋼筋混凝土組合梁成橋質(zhì)量檢測分析技術(shù)。從靜載試驗方案、現(xiàn)場靜載評測標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場靜載測試結(jié)果與分析等3個方面，介紹了現(xiàn)場靜載試驗相關(guān)技術(shù)要點；從有限元模型驗證、初應(yīng)力分析等2個方面，介紹了有限元分析驗證相關(guān)技術(shù)要點及分析成果。案例檢測分析顯示，橋梁各截面應(yīng)力及撓度均低于理論計算值，撓度校驗系數(shù)力和應(yīng)變分別為0.55～0.91和0.78～0.82，最大殘留應(yīng)變和殘留變形分別為1.87%和18.0%，橋梁實際應(yīng)用狀態(tài)優(yōu)于設(shè)計狀態(tài)，實測值與理論值大多數(shù)相差不超過20%。現(xiàn)場靜載試驗與有限元分析驗證結(jié)合使用，有工程應(yīng)用參考意義。

參考文獻(xiàn)

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