高性能混凝土橋梁靜載試驗(yàn)分析

吳帆

（上海隧道工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,上海市201109）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁施工技術(shù)有了很大的提高。混凝土是橋梁施工的基本材料，混凝土的質(zhì)量直接決定了橋梁的施工質(zhì)量?；炷猎谑┕み^程中，很容易產(chǎn)生裂縫，從而影響到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。而超高性能混凝土是由新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料構(gòu)成，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC具有密實(shí)度高、水化熱作用低、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。因此，將其應(yīng)用在橋梁工程中時(shí)，能夠提高橋梁的施工質(zhì)量及使用年限。

1 材料性能

超高性能混凝土采用高強(qiáng)早強(qiáng)、耐久性好、流動(dòng)性好的材料，材料性能等級(jí)不低于UA級(jí)，性能指標(biāo)符合表1的要求。均布于超高性能混凝土基體中的特種纖維為其提供高抗拉強(qiáng)度、類金屬的拉伸應(yīng)變強(qiáng)化、高延性，以及微裂縫多點(diǎn)開裂耗能等特性。

2 工程概況

上海袁家河地面橋，采用超高性能混凝土作為橋梁的基本材料，上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支π型梁，單跨結(jié)構(gòu)，跨徑22 m，單幅橋面，外側(cè)總寬17.75 m,橋梁與河道正交。上部結(jié)構(gòu)為梁+150 mmC50鋼筋混凝土現(xiàn)澆橋面板組合梁形式。

表1 材料性能指標(biāo)一覽表

為驗(yàn)證材料性能，檢驗(yàn)成橋后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，對(duì)使用荷載作用下橋梁的響應(yīng)及工作狀況作出綜合評(píng)價(jià)，上海隧道工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司對(duì)袁家河橋進(jìn)行了橋梁靜載試驗(yàn)。

3 靜載試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 有限元模型建立

根據(jù)該橋梁的基本情況建立有限元模型，按照設(shè)計(jì)圖紙，建立梁格單元，采用鋼筋混凝土板和類工字型梁組成聯(lián)合截面來模擬π型梁，如圖1所示。首先模擬橋梁在設(shè)計(jì)活載作用下的內(nèi)力和位移，然后計(jì)算出等效車輛荷載，進(jìn)行實(shí)橋加載，最后得出校驗(yàn)系數(shù)。

3.2 有限元仿真模擬分析

采用大型橋梁計(jì)算軟件Midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)前的模擬仿真分析，計(jì)算模型在設(shè)計(jì)活載作用下的內(nèi)力和位移包絡(luò)圖，見圖2~圖4所示。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

圖2 活載彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖3 活載剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖4 位移包絡(luò)圖（單位：mm）

4 加載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)的加載荷載

根據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的初步計(jì)算，采用等效荷載法，利用汽車加載。該項(xiàng)試驗(yàn)加載車輛選用東風(fēng)康明斯大型載重汽車,其中單輛車總重300 kN（前軸重60 kN，中后軸重240 kN，前中軸距350 cm，中后軸距130 cm，車身全長(zhǎng)740 cm）。

標(biāo)準(zhǔn)加載車輛的車型示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 30 t車輛標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖一（單位：cm）

圖6 30 t車輛標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖二（單位：cm）

車隊(duì)縱向布置按各控制截面的影響線進(jìn)行布置。控制截面實(shí)際加載產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算值除以其在設(shè)計(jì)汽車荷載作用下的計(jì)算值得到荷載效率系數(shù)η。由于實(shí)際車重的偏差，以及設(shè)計(jì)理論計(jì)算中考慮多車道折減等因素，其荷載效率系數(shù)η可能偏離較大。在實(shí)際荷載試驗(yàn)中，通過控制相應(yīng)的加載車輛的數(shù)量及位置使該檢驗(yàn)項(xiàng)目的荷載效率系數(shù)η滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》第8.1.2條規(guī)定，η取值范圍宜介于0.95~1.05之間。圖7、圖8分別為加載車輛橫向與平面布置圖。

圖7 加載車橫向布置圖（單位：mm）

圖8 加載車平面布置圖（單位：mm）

4.2 測(cè)試截面的測(cè)點(diǎn)布置

（1）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖9所示。

（2）撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖10所示。

4.3 加載控制

圖9 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)以上所做的準(zhǔn)備工作，選用上述所用汽車荷載及布載方案，進(jìn)行了實(shí)橋的靜力荷載試驗(yàn)。加載車輛進(jìn)場(chǎng)前，必須先稱量每輛車的軸重并記錄編號(hào)，要求車輛總重誤差不超過5%。試驗(yàn)時(shí)，記錄每個(gè)工況各加載車輛的位置。

加載過程如下：

（1）橋梁空載。根據(jù)總指揮的指令，各測(cè)量組讀取橋梁在空載下的初始讀數(shù)，加載車輛在停車場(chǎng)待命。

（2）各測(cè)量組讀取完初始數(shù)據(jù)后，向總指揮匯報(bào)，然后總指揮向車輛調(diào)度組下指令，加載車輛逐批進(jìn)場(chǎng)（分兩次逐級(jí)加載），相繼進(jìn)入指定位置。

（3）加載車輛全部到位后，向總指揮報(bào)告?？傊笓]下達(dá)指令，各個(gè)測(cè)量小組開始測(cè)量。

（4）各位移測(cè)試小組和應(yīng)力測(cè)試小組讀數(shù)工作結(jié)束后，立刻進(jìn)行計(jì)算，得出本級(jí)加載結(jié)構(gòu)測(cè)試截面的位移和應(yīng)變，并上報(bào)總指揮。同時(shí)，其他人員對(duì)橋梁進(jìn)行觀測(cè)，若有裂縫明顯增加或其他異常情況及時(shí)向總指揮匯報(bào)。

（5）根據(jù)各個(gè)測(cè)量小組匯報(bào)的測(cè)量結(jié)果，總指揮判斷試驗(yàn)是否正常。如果測(cè)量結(jié)果有異樣，則命令相應(yīng)的小組重新測(cè)量。如果一切正常，則命令加載車輛撤離。該工況結(jié)束。

（6）進(jìn)入下一加載工況，直至試驗(yàn)結(jié)束。

當(dāng)試驗(yàn)過程中，發(fā)生下列情況應(yīng)中途停止加載，及時(shí)找出原因，在確保結(jié)構(gòu)及人員安全的情況下可繼續(xù)試驗(yàn)。

（1）控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值已達(dá)到或超過計(jì)算的控制應(yīng)力值時(shí)；

（2）控制測(cè)點(diǎn)變位（或撓度）超過規(guī)范允許值時(shí)；

（3）由于加載，使結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度、縫寬急劇增加，新裂縫大量出現(xiàn)，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命造成較大的影響時(shí)。

該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，未發(fā)生上述三種情況。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理（見表2）

表2 試驗(yàn)荷載斷面最不利工況下最不利測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值比較表

6 結(jié)語

（1）高性能混凝土橋在設(shè)計(jì)荷載作用下，抗彎承載能力、裂縫開展情況及剛度符合規(guī)范的要求。

（2）高性能混凝土橋在試驗(yàn)荷載下，應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度優(yōu)于理論計(jì)算，處于彈性工作狀態(tài)；試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)未新增裂縫。

綜上所述，通過對(duì)該橋的靜載試驗(yàn)，以及相應(yīng)的理論計(jì)算分析，根據(jù)有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，袁家河橋在靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)變符合規(guī)范要求，為高性能混凝土的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。