探究鋼－混凝土組合箱梁橋的荷載試驗(yàn)

劉大鵬 LIU Da-peng

（中交遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司，石家莊 050035）

0 引言

近年來鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)作為全新的結(jié)構(gòu)形式，在高速公路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料的各自特性，而且施工快捷、方便，從而受到工程界的青睞。我國在該領(lǐng)域的研究較晚，但隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，如何對鋼－混凝土組合箱梁橋的承載能力進(jìn)行評價(jià)還存在許多亟待解決的問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土新型組合梁橋的研究相對較少，理論體系還不完善，國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范也沒有相應(yīng)的條款對該類型橋梁如何進(jìn)行荷載能力評價(jià)有詳細(xì)介紹[1]。

文章以某一新建鋼－混凝土組合箱梁橋?yàn)槔瑓⒖棘F(xiàn)行相關(guān)規(guī)范詳細(xì)介紹了該類橋型的靜、動載試驗(yàn)，并對其承載能力及工作性能進(jìn)行了評價(jià)，對確保該橋的正常使用、完善該類橋型荷載試驗(yàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁概況

某分離式立交橋?yàn)槔@城公路上的一座橋梁，主跨采用40+55+40m 鋼-混組合梁，橋下凈高不小于7.2m。橋梁左幅共六聯(lián)：4×30+4×30+（40+55+40）+（23+2×30）+4×30+3×30m，右幅共七聯(lián)：3×30+3×30+（23+2×30）+（40+55+40）+3×30+3×30+3×30m；橋長675m。

該橋上部構(gòu)造左幅第三聯(lián)、右幅第四聯(lián)采用鋼-混組合梁，其余聯(lián)采用鋼-混組合工字鋼梁，交角90°。鋼-混組合梁橫向3 片箱梁，箱梁底寬3.5m，箱梁間凈距2.0m，懸臂1.0m，梁高2.2m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋臺采用肋板臺、樁基礎(chǔ)。

橋梁設(shè)計(jì)荷載：公路—Ⅰ級。

橋面寬度：2×（0.5m 墻式護(hù)欄+15.5m 行車道+0.5m 墻式護(hù)欄）+1.5m 間距；兩幅全寬34.5m。

2 有限元計(jì)算模型

一般來說對任何類別的結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面設(shè)計(jì)都要滿足兩類極限狀態(tài)的要求[2，3]。對于簡支組合梁這種受彎構(gòu)件而言，要計(jì)算其強(qiáng)度、剛度（撓度）和穩(wěn)定性是否滿足要求，通常組合梁的計(jì)算應(yīng)分別對施工階段和使用階段進(jìn)行計(jì)算[4-6]。成橋階段荷載試驗(yàn)主要計(jì)算使用階段。而在使用階段，應(yīng)利用塑性設(shè)計(jì)法計(jì)算組合截面的承載力，該階段的穩(wěn)定性一般均能滿足，可不必計(jì)算[7]。

本橋采用MIDAS 有限元軟件對40+55+40m 鋼-混組合梁進(jìn)行建模計(jì)算，將該橋主跨結(jié)構(gòu)離散為138 個(gè)節(jié)點(diǎn)，137 個(gè)單元，計(jì)算模型如圖1 所示。

3 靜載試驗(yàn)

本次靜載試驗(yàn)荷載的大小和加載位置按照內(nèi)力等效原則，即采用靜載試驗(yàn)荷載效率進(jìn)行控制[8]。通過計(jì)算荷載試驗(yàn)靜載效率計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程[9，10]靜力荷載試驗(yàn)效率，對驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)其值應(yīng)大于或等于0.85，且不得大于1.05，對鑒定性荷載試驗(yàn)，其值應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05。此次荷載試驗(yàn)的靜力荷載試驗(yàn)效率在0.95～1.04 之間，滿足現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程的要求。

表1 橋梁靜載試驗(yàn)荷載效率匯總表

3.1 靜載試驗(yàn)實(shí)施

①本次靜力荷載試驗(yàn)為基本荷載試驗(yàn)。橋梁采用等效荷載加載，等效荷載采用6 輛約50 噸的三軸載重汽車，效率系數(shù)控制在0.95～1.05 之間，滿足規(guī)范要求。

②測試項(xiàng)目及測試方法。

應(yīng)力：第10、11 跨L/2 斷面，10#墩支點(diǎn)斷面各鋼箱梁梁底應(yīng)力；10#墩頂、第11 跨跨中斷面3#鋼箱梁腹板應(yīng)力。

撓度：第10 跨、第11 跨L/2 斷面各鋼箱梁的撓度，9#墩、10#墩、11#墩各支點(diǎn)斷面撓度。

試驗(yàn)現(xiàn)象觀察：在試驗(yàn)加載過程中，觀察結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常變形、響動、失穩(wěn)、扭曲、晃動等異常現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀察橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫有無開焊、連接螺栓是否存在松動等現(xiàn)象。

③加載工況。

本次荷載試驗(yàn)分6 個(gè)工況，分別為：第10 跨最大正彎矩偏心加載、第10 跨最大正彎矩對稱加載、第11 跨跨中位置偏心加載、第11 跨跨中位置對稱加載、10#墩頂負(fù)彎矩偏心加載、10#墩頂負(fù)彎矩對稱加載，每工況均分級加載。

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 應(yīng)力測試結(jié)果

在第10、11 跨最大正彎矩等效荷載作用下，梁底應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，表明第10、11 跨各箱梁在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

在10#墩支點(diǎn)最大負(fù)彎矩等效荷載作用下，10#墩支點(diǎn)斷面各箱梁梁底應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，表明10#墩支點(diǎn)處各箱梁在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

在10#墩支點(diǎn)最大負(fù)彎矩等效荷載作用下，10#墩支點(diǎn)斷面3#箱梁腹板應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的相關(guān)要求。

在等效荷載作用下，量測的第10、11 跨跨中斷面鋼箱梁底應(yīng)力測點(diǎn)相對殘余應(yīng)力均小于20%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的相關(guān)要求。

3.2.2 撓度測試結(jié)果

在第10、11 跨最大正彎矩等效荷載作用下，跨中斷面撓度測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，表明第10、11 跨各鋼箱梁在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體剛度能滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

試驗(yàn)跨各工況控制斷面的實(shí)測撓度與理論撓度對比曲線吻合較好，說明橋梁整體性較好。

在各工況等效荷載作用下，量測的第10、11 跨跨中斷面梁底撓度測點(diǎn)相對殘余變位均小于20%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的相關(guān)要求。

3.2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象觀察結(jié)果

在試驗(yàn)加載過程中，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常變形、響動、失穩(wěn)、扭曲、晃動等異常現(xiàn)象。試驗(yàn)加載過程中，橋梁鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)焊縫開焊、連接螺栓松動等現(xiàn)象。

綜上所述，在試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)跨箱梁強(qiáng)度、剛度均滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求。

4 動載試驗(yàn)

4.1 自振特性測試

4.1.1 測試方法

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)（自由振動位移時(shí)程曲線）。

對應(yīng)測試參數(shù)：結(jié)構(gòu)的固有頻率f0。

4.1.2 測點(diǎn)布置

自振頻率測試：測點(diǎn)布置在第10、11 跨（跨中、四分點(diǎn)）內(nèi)側(cè)護(hù)欄處，測試橋梁的固有頻率f0。

4.1.3 理論計(jì)算

通過使用Midas civil 分析軟件對該橋進(jìn)行建模計(jì)算，得出該橋理論豎向一階頻率為2.482Hz。模型圖如圖2 所示。

圖2 橋梁一階豎向振型圖

4.1.4 自振特性測試結(jié)果

結(jié)構(gòu)豎向振動測試分析結(jié)果見表2，從表中數(shù)據(jù)可得出：該橋?qū)崪y自振頻率大于理論計(jì)算自振頻率，說明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于理論剛度，能滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用要求。

表2 橋梁自振特性匯總表

4.2 沖擊系數(shù)測試

4.2.1 測試方法

在橋面上無任何障礙的情況下，采用1 輛試驗(yàn)車分別以20km/h、30km/h、40km/h 的不同車速勻速通過試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)，記錄不同車速的試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)孔上行駛時(shí)測點(diǎn)的撓度時(shí)程曲線，根據(jù)所記錄的曲線計(jì)算和分析橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的沖擊系數(shù)。

本次沖擊系數(shù)測試使用BJQN-5A 橋梁撓度檢測儀進(jìn)行測試、分析。

4.2.2 測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置在第11 跨3#鋼箱梁梁底跨中位置。

4.2.3 加載方案

采用1 輛50 噸左右的試驗(yàn)車分別以20km/h、30km/h、40km/h 的不同車速勻速通過試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)，記錄不同車速的試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)孔上行駛時(shí)測點(diǎn)的撓度時(shí)程曲線。

4.2.4 測試結(jié)果

跑車試驗(yàn)結(jié)果匯總見表3，從表中數(shù)據(jù)可得出：第11跨實(shí)測最大動撓度為5.333mm；實(shí)測沖擊系數(shù)最大值為0.064 小于JTG D60-2015 規(guī)范理論沖擊系數(shù)值0.145，說明結(jié)構(gòu)的動力性能較好。

表3 試驗(yàn)跨動載試驗(yàn)測量結(jié)果表

5 結(jié)論

通過對鋼-混組合連續(xù)箱梁橋進(jìn)行受力分析，結(jié)合現(xiàn)行檢測和評定規(guī)程[9，10]，鋼-混組合連續(xù)箱梁橋的荷載試驗(yàn)控制截面主要為：邊跨和中跨最大正彎矩截面，支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面，此次荷載試驗(yàn)選取的控制截面滿足現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程的要求。

通過建立空間有限元模型計(jì)算分析和進(jìn)行實(shí)橋靜、動載試驗(yàn)得出：所試驗(yàn)的鋼-混組合梁橋試驗(yàn)跨的承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)荷載（公路-Ⅰ級）的正常使用要求。

結(jié)合實(shí)橋靜、動載試驗(yàn)和有限元分析模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，說明采用有限元軟件對預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁進(jìn)行受力分析具有可行性。