航運樞紐船閘壩頂交通橋靜載試驗研究

作者簡介：

潘 波（1986—），工程師，主要從事水運工程建設管理工作。

摘要：為保證某航運樞紐船閘工程的安全運行，文章參考公路橋梁工程等相關設計與試驗規范，對船閘工程壩頂交通橋進行靜載試驗，利用Midas Civil及Civil Designer有限元軟件進行建模及可視化加載方案設計，對試驗采集數據與有限元計算值進行分析，評價橋梁現階段承載能力。結果表明：設計的加載方案合理，保證了試驗的安全可靠，在方案設計的等效荷載作用下，橋梁撓度、應變等參數均在規范規定范圍內，橋梁承載能力滿足設計要求。

關鍵詞：壩頂交通橋；有限元；荷載效率；撓度；應變

中圖分類號：U641.3+6文獻標識碼：A 65 213 5

0 引言

航運樞紐交通橋通常利用船閘墩墻作為墩體架設，參照公路橋梁的設計規范和技術標準進行設計。船閘交通橋為兩岸車輛與行人過閘重要交通設施，為保證船閘工程的整體安全運行，對船閘交通橋進行靜載試驗尤為重要［1］。而目前水運工程相關規范缺少對船閘交通橋靜載試驗具體的檢測依據與判定依據，傳統車輛布載方式效率低且對非控制截面內力不可控，導致方案設計欠缺合理化，影響試驗的安全。本文以實際項目為依托，參考公路橋梁工程等相關設計與試驗規范要求［2-6］，聯合Midas Civil及Civil Designer軟件進行布載方案設計，對某船閘交通橋的靜載試驗進行詳細分析闡述，為類似項目試驗提供借鑒。

1 工程概況

某航運樞紐船閘工程壩頂交通橋采用單幅結構，全長112.00 m，橋面寬度為6.00 m，全橋共3聯，橋跨組合為1×18 m預應力混凝土（后張）空心板+1×40 m鋼箱梁+3×18 m預應力混凝土（后張）連續空心板，1#跨、2#跨采用簡支后橋面連續，3#～5#跨采用先簡支后結構連續。1#跨、3#～5#跨橫向布置5片空心板，混凝土強度等級為C50，空心板高0.95 m。2#跨上部結構采用主梁為變高度鋼箱結構，鋼材為Q345D。標準梁寬7 m，梁頂設1.5%的橫坡，梁底橫向為直線，縱向為拋物線，梁高由1.557 m變化到1.050 m。箱梁頂、底板厚16 mm，腹板厚16 mm，頂底板設縱向加勁肋，每隔2.5 m設一片橫隔板，橫隔板之間設一道腹板豎向加勁肋。箱梁采用全焊接結構。

交通橋下部結構的小樁號橋臺直接在壩頂澆筑蓋梁，大樁號橋臺采用柱式臺，1#～4#墩采用樁式墩，基礎采用樁基礎。

0#、5#橋臺及1#、2#橋墩采用C40型鋼模數式伸縮縫，臺后搭板長度為6 m。預應力混凝土空心板采用GJZ板式橡膠支座。

橋面鋪裝采用10 cm厚C50混凝土+防水層+8 cm厚瀝青混凝土。橋面兩側各設一道鋼筋混凝土墻式護欄。

該橋主要技術標準：

（1）設計荷載等級：公路-Ⅱ級（JTG D60-2015）。

（2）設計行車速度：30 km/h。

（3）橋面寬度：0.5 m（欄桿）+2×3.0 m（車行道）+0.5 m（欄桿）。

為評價交通橋整體承載能力，本次靜載試驗選取壩頂交通橋1#跨（18 m簡支空心板）、2#跨（40 m簡支鋼箱梁）、3#～4#跨（3×18 m橋面連續空心板）。1#跨、2#跨、3#跨、4#跨最大正彎矩工況測試截面為A1～A4，3#墩支點位置最大負彎矩工況測試截面為Z3f。試驗控制截面布置見圖1。

2 靜載試驗方案設計

2.1 Midas Civil有限元建模

采用Midas Civil軟件［7-9］分別對交通橋的3個試驗聯分別建立有限元計算模型，其中簡支與連續空心板按“梁格法”進行結構計算分析，鋼箱梁采用單梁模型進行結構計算并考慮實際預拱度。有限元模型如圖2～4所示，建模時采用以下假設：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數。

（2）截面變形符合平截面假設。

由于橋面系防撞護欄對上部結構的剛度貢獻不大，因此為簡化計算，不加入計算模型。根據以往檢驗工作經驗，橋面鋪裝實際施工尺寸一般存在偏差，因此橋面鋪裝計入8 cm厚混凝土現澆層，但在結構自振特性計算中考慮結構其余2 cm厚的現澆混凝土、8 cm厚瀝青混凝土和防撞護欄質量。

本次試驗控制荷載為設計荷載（即公路-Ⅱ級）。橋面凈寬為6.00 m，設計車道數為2車道，因此橫向按2車道布置汽車荷載，橫向車道布載系數分別為1.20、1.00。本次所有試驗跨所在橋聯最大跨徑為40 m，lt;150 m，因此不考慮縱向折減系數。根據有限元計算結果，簡支空心板、簡支鋼箱梁、連續空心板試驗聯第1階豎彎自振頻率分別為5.65 Hz、2.25 Hz、4.97 Hz，計算出沖擊系數μ分別為0.290、0.128、0.267。

2.2 可視化載荷車輛布置

本次試驗為交工驗收荷載試驗，根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015），試驗荷載效率滿足應介于0.85～1.05的要求。由于本次試驗橋寬僅為7 m，橫向車輛間距較小，中載與偏載正彎矩計算結果接近，因此各試驗跨僅考慮偏載最不利工況。本次荷載試驗共采用4輛三軸載重汽車（如圖5所示），軸距和軸重見表1。

傳統布載方法［10-11］通過預設車輛荷載不斷調整車重、位置、車輛間距等，每次布載均需在軟件中進行多次重復操作，且不能同時比較多種工況下等效彎矩大小，從而制定優選方案，造成效率低及方案設計欠缺合理化。而采用Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯合方法進行加載車方位布置，Civil Designer軟件通過對Midas Civil軟件計算的控制截面影響線進行布載方案設計，在軟件中自由設置車重、車數、荷載分級和荷載效率范圍，自動計算合理的車輛布載方式，軟件交互界面可實時觀測橋體受力與變形情況，實現加載效率的可視化，最后將生成的分級加載工況導入Midas Civil軟件中得到相應的分級加載試驗工況。

通過對車輛位置的動態調整，最終確定本次試驗的荷載效率范圍為：0.861～1.041，滿足規范要求，且工況3及工況5的布載方式相同，達到了一種布載方式檢驗多種工況的效果，節省了現場試驗時間。Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯合方法的可視化載荷車輛布置在很大程度上提高了方案設計效率的同時，也保證了試驗的可靠性與安全性。計算得到各試驗工況的試驗荷載效率見表2。

2.3 測試截面、測試內容及測點布置

2.3.1 測試截面、測試內容

本次壩頂交通橋靜載試驗對應5種試驗工況共布置了5個測試截面：A1～A4和Z3f截面。其中A1～A4分別為1#～4#跨空心板及鋼箱梁最大正彎矩截面，即相應工況的控制截面，考慮支座尺寸影響而實際無法在3#墩支點Z3截面布置空心板下緣應變測點，所以未選取此截面為測試截面。為保證試驗效果，測試截面為Z3截面選擇布置在往大樁號向偏移1.50 m的Z3f截面。

試驗的測試內容包括采集荷載作用下的梁體結構在控制截面或輔助截面位置的應變、撓度及支座壓縮情況。具體測試截面和測試內容見表3。

2.3.2 測點布置

2.3.2.1 位移測點

試驗的位移測點分為撓度測點與修正支點沉降的支座壓縮測點。

依據表3，在空心板A1、A3、A4截面及鋼箱梁A2、四分點截面布置豎向撓度測點，采用數字水準儀測量。空心板位移測點布置于各片梁底板中線對應的橋面處，每個截面布置5個測點，鋼箱梁位移測點布置于左右兩側，每個截面布置2個測點，全橋共21個測點。

支座壓縮測點布置于0#臺、1#～4#墩支座附近，采用位移傳感器測試。將傳感器固定于支座旁蓋梁或帽梁處，測量該處與梁底面的豎向相對位移值作為支座壓縮變形量。其中0#臺大樁號面、4#墩小樁號面各布置2個測點；1#、3#、4#墩小樁號面與2#墩、3#墩大樁號面各布置2個測點；2#墩小樁號面、1#墩大樁號面各布置3個測點。共布置18個測點。測點布置見圖6。

2.3.2.2 應變測點

依據表3，在空心板及鋼箱梁A1～A4截面和Z3f截面梁底布置應變測點，另外在每個控制截面的偏載側（左側）腹板外立面布置2個應變測點，在試驗中即可根據腹板測點應變數據判定梁體變形是否符合平截面假定，進而判斷梁體在荷載作用下是否持續發生彈性變形，當數值異常立即暫停試驗，保證試驗工作的安全。橋梁梁體應變采用混凝土或鋼結構電阻式應變片測量，各測點均為單向測點，空心板A1、A3、A4截面每截面布置空心板底部及左側面共12個測點，Z3f截面布置空心板底部10個測點，鋼箱梁A2截面布置底部及左側面9個測點。本次應變測點共布置55個。應變測點布置見下頁圖7。

3 靜載試驗結果

3.1 橋梁結構現狀調查結果

橋梁靜載試驗前需要對橋梁結構現狀進行調查，檢查橋體結構尺寸、外觀質量、病害缺陷等，避免試驗對結構造成進一步破壞，保證試驗安全，而且因船閘交通橋結構特殊性，還應進行船閘承重墩墻的外觀質量和表面缺陷的檢查。

試驗前通過現場檢查，橋梁箱梁、橋臺、承重墩墻等主要結構的尺寸符合設計要求，各構件未發現有混凝土破損，裂縫、漏筋等病害。

3.2 撓度、應變測試結果及分析

工況2為2#跨鋼箱梁A2截面最大正彎矩偏載（偏左側）。本節以工況2為例對試驗測試應變及撓度結果進行分析，結合規范要求綜合評價船閘交通橋靜載現階段承載能力。

3.2.1 撓度測試結果分析

通過數字水準儀采集得到鋼箱梁控制截面及輔助截面的試驗撓度值，實測彈性撓度值計算撓度值的比值即為應變校驗系數。試驗荷載全部卸載后持續監測撓度值直至數值穩定，獲得殘余撓度，殘余撓度為正值即認定為不可恢復變形，殘余撓度與實測彈性撓度值的比值即為相對殘余撓度。試驗結果匯總見表4，截面撓度橫向分布曲線見圖8。

撓度測試結果顯示，試驗實測撓度值均小于模型計算值，左右兩側實測彈性撓度最大值均出現在跨中控制截面。可以發現，偏載側（左側）撓度值為16.73 mm，大于右側的12.39 mm，結構撓曲符合偏載受力的特點；各測試點撓度校驗系數范圍為0.667～0.843，其中跨中截面校驗系數為0.684，實測撓度縱向變形及橫向分布正常，表明梁體整體受力性能良好；荷載卸載后相對殘余撓度率為1.61%，小于《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對殘余撓度率限值，說明結構撓曲在卸載后能夠基本恢復彈性。

3.2.2 應變測試結果分析

應變結果計算分析與撓度分析類似，鋼箱梁各測點的應變值、校驗系數、相對殘余應變計算結果見表5及圖9（a），中性軸的位置計算結果見表6和圖9（b）。

圖9（a）的應變測試結果顯示，跨中控制截面實測彈性應變值沿偏載方向遞增，呈現較好的線性關系，最大應變值為79 με，符合結構偏載受力的彈性變形特點，各實測應變值均小于模型計算值，應變校驗系數范圍為0.815～0.975，說明橋梁結構現階段仍有部分強度和剛度儲備。通過圖9（b）的中性軸位置分析可以發現，實測應變梁高線性趨勢線分布與計算分布線基本擬合，說明試驗符合平截面假定理論，試驗中結構均處于彈性變形。卸載待變形穩定后的相對殘余應變率為2.74%，小于《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對殘余應變率限值，說明結構變形在卸載后能夠基本彈性恢復。

3.2.3 裂縫觀測結果分析

在整個試驗加載過程中，近距離對試驗控制截面及承重墩墻的裂縫情況進行巡檢，各部位未發現有裂縫產生，表明本次靜載試驗未對橋梁結構產生傷害。

4 結語

（1）壩頂交通橋各試驗橋跨在試驗荷載效率ηq為0.861～1.041的等效荷載作用下，橋梁結構發生彈性變形，實測應變、撓度校驗系數均lt;1.0，卸載后結構變形基本恢復，因此該壩頂交通橋試驗跨現階段滿足《公路橋涵設計通用規范》規定的設計荷載正常使用要求。由于應變測試校驗系數最大值為0.975，接近1.0，說明該橋現階段仍有強度不足風險，建議定期對該橋開展檢測與養護工作。

（2）采用Midas Civil軟件與Civil Designer軟件聯合方法進行加載車方位布置，在滿足控制截面荷載效率的同時能夠對非控制截面內力進行動態可視化監控，保證布載方案的科學合理性，很大程度地提高了方案設計工作效率，也保障了現場試驗安全。

（3）橋梁靜載試驗檢測作為最直接有效評價橋梁整體承載能力的檢測手段，在公路橋梁領域使用廣泛，但水運工程領域缺少相關試驗規范與依據。建議在水運工程質量檢驗規范修編中，將交通橋靜載試驗流程規范化，進行推廣應用。

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