單箱雙室連續(xù)彎箱梁橋靜載試驗(yàn)

曾 勇，孫旭東，肖光烈，魏 星，范和平，羅小清

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074；3.重慶市永川區(qū)公路服務(wù)中心，重慶 400074；4.中交第二航務(wù)工程局有限公司，重慶 400074；5.忠縣暢達(dá)建設(shè)投資有限公司，重慶 404100)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)超越世界很多國(guó)家，人們也更加重視對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估，橋梁靜載試驗(yàn)以其有效合理、可靠準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)被業(yè)內(nèi)普遍運(yùn)用[1]。

彎箱梁橋較直線橋梁更能適應(yīng)地形地貌的變化，在目前的工程項(xiàng)目中運(yùn)用得比較廣泛。彎箱梁橋同時(shí)發(fā)生豎向彎曲和扭轉(zhuǎn)撓曲變形，彎扭耦合[2]作用下，其變形值一般比直線大。彎箱梁橋較直橋來(lái)說(shuō)受力更為復(fù)雜，在荷載作用下可能會(huì)有扭轉(zhuǎn)、彎曲、翹曲及畸變等多種變形狀態(tài)產(chǎn)生[3]。單箱雙室彎箱梁橋相對(duì)于單箱單室彎箱梁橋，各腹板均勻分擔(dān)剪力滯[4]，有效降低了剪力滯系數(shù)的峰值。然而，這類橋梁存在嚴(yán)重的梁外側(cè)反力增大、內(nèi)側(cè)反力減小的問(wèn)題，內(nèi)梁中很可能會(huì)有負(fù)反力產(chǎn)生。為了確保橋通車后運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性，可以選擇在通車前進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究。

在某單箱雙室連續(xù)彎箱梁橋上進(jìn)行靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證其剛度和強(qiáng)度，對(duì)類似工程問(wèn)題具有參考價(jià)值，為其提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某全長(zhǎng)83 m的單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋，其橫向斷面分布如圖1所示。橋縱坡為0.6%的上坡，橋梁平面位于直線、緩和曲線(半徑50 m，左偏)和圓曲線(半徑50 m，左偏)上，橋面橫坡直線段按雙向2%坡，曲線段根據(jù)曲線超高設(shè)置。下部結(jié)構(gòu)利用鉆孔樁基礎(chǔ)和雙柱墩相結(jié)合，0號(hào)和3號(hào)橋臺(tái)則利用重力式U型橋臺(tái)與承臺(tái)樁基礎(chǔ)相結(jié)合，橋立面布置如圖2所示。人群荷載大小和汽車荷載等級(jí)分別是3.0 kN/m2和公路-I級(jí)。

圖1 斷面橫向分布圖

圖2 橋梁立面布置圖

2 靜力荷載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方法

1)布置7個(gè)測(cè)試撓度的截面，測(cè)量撓度的工具是精密水準(zhǔn)儀(分辨率為±0.01 mm)。

2)布置3個(gè)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)試截面，在截面指定位置布置應(yīng)變片，利用靜態(tài)應(yīng)變儀(分辨率為±1×10-6)測(cè)量得到應(yīng)變值，根據(jù)材料彈性模量、應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系換算得到應(yīng)力值[5]。

3)裂縫觀測(cè)利用裂縫觀測(cè)儀(分辨率為± 0.02 mm)。

2.2 理論分析

根據(jù)竣工圖尺寸和計(jì)算參數(shù)，利用MIDAS/Civil軟件，構(gòu)建橋梁模型并計(jì)算分析[6-7]，材料強(qiáng)度按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)取用。計(jì)算時(shí)，用梁?jiǎn)卧M主梁，計(jì)算控制斷面內(nèi)力和位移。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

2.3 布置測(cè)點(diǎn)

2.3.1 靜力撓度測(cè)試點(diǎn)

沿橋梁縱向軸線方向布置7個(gè)撓度測(cè)試截面(F2～F4、F6～F8、F10)，在各個(gè)截面兩側(cè)欄桿附近設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，撓度測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖4所示。

圖4 彎橋撓度測(cè)點(diǎn)平面分布圖

2.3.2 靜力應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)

布置J1、J2、J3這3個(gè)應(yīng)變(應(yīng)力)測(cè)試截面[8]如圖5所示，F(xiàn)7中跨跨中截面是J1截面、第二跨和第三跨間的墩頂朝第三跨方向偏50 cm處是J2截面，考慮到彎橋梁截面設(shè)有超高且曲線段外側(cè)弧線較長(zhǎng)，取曲線段邊跨最大正彎矩截面為J3。應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)主要分布在箱梁下表面和翼緣板的下表面如圖6所示。

圖5 J1、J2、J3截面分布圖

(a)J1截面應(yīng)變片編號(hào)及貼片位置

2.4 測(cè)試工況

按依托橋梁工程的實(shí)際受力和各截面變形特征，擬定不同試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 靜載試驗(yàn)工況

2.5 荷載布置

在結(jié)構(gòu)分析之后，利用荷載等效的計(jì)算結(jié)果明確加載車的型號(hào)、數(shù)量和位置。各工況主橋加載車位置如圖7～圖12所示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

圖7 工況1加載車分布圖

圖8 工況2加載車分布圖

圖9 工況3加載車分布圖

圖10 工況4加載車分布圖

圖11 工況5加載車分布圖

圖12 工況6加載車分布圖

圖13 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

2.6 試驗(yàn)荷載效率

本試驗(yàn)的荷載為載重汽車，車輛數(shù)量的確定由公式[9]等效換算而得。初步得到的各截面內(nèi)力值和荷載效率如表2所示。

表2 荷載效率計(jì)算結(jié)果

(1)

其中：η是測(cè)試截面各個(gè)工況的荷載效率；Sstate是該橋在加載情況的計(jì)算效應(yīng)值；S是J1、J2、J3截面的最不利荷載作用下的計(jì)算效應(yīng)值；μ是根據(jù)規(guī)范取得的沖擊系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 撓度測(cè)試結(jié)果

在靜載作用下，不同工況的上下游實(shí)測(cè)撓度值與計(jì)算撓度值的對(duì)比如圖14～圖19所示。

由圖14～圖19可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制曲線的變化趨勢(shì)與計(jì)算值的曲線變化趨勢(shì)基本一致，測(cè)點(diǎn)處計(jì)算值的絕對(duì)值均大于或等于實(shí)際測(cè)量值的絕對(duì)值，表明整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)的豎向撓度變形處于正常區(qū)間。

(a)上游 (b)下游

(a)上游 (b)下游

(a)上游 (b)下游

(a)上游 (b)下游

(a)上游 (b)下游

(a)上游 (b)下游

3.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

6種工況下實(shí)測(cè)應(yīng)變和計(jì)算應(yīng)變比較如表3所示(應(yīng)力為正時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)處受拉，為負(fù)時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)處受壓)。

表3 各工況應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算值的比較

在各加載工況下，翼緣板上的應(yīng)變實(shí)測(cè)顯示數(shù)據(jù)都不大，J1、J2、J3截面底板的應(yīng)力實(shí)測(cè)值變化規(guī)律基本與計(jì)算值的變化規(guī)律相符，對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)和殘余變形也在正常范圍之內(nèi)。

3.3 裂縫測(cè)試結(jié)果

正式加載前后，J1、J2、J3截面附近的裂紋檢測(cè)結(jié)果顯示：未見(jiàn)明顯裂縫。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從某單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋著手，比較剖析靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和Midas/civil軟件的計(jì)算數(shù)據(jù)后得出結(jié)論：

(1)在3種加載工況下，J1、J2、J3截面計(jì)算值的絕對(duì)值均大于等于實(shí)測(cè)撓度的絕對(duì)值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在合理區(qū)間內(nèi)。第三跨實(shí)測(cè)撓度的最大增量為4.54 mm，約等于該橋第二跨跨徑的1/5 507。在3種卸載工況下，各控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形的最大絕對(duì)值為18.5%，低于指定限值。橋跨結(jié)構(gòu)撓曲線走勢(shì)光滑連續(xù)，與理論計(jì)算曲線一致性較好，說(shuō)明該橋彈性工作狀況良好，整體結(jié)構(gòu)剛度合乎設(shè)計(jì)要求。

(2)在各種工況下，各測(cè)試截面實(shí)測(cè)應(yīng)力處于正常范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)在合理區(qū)間內(nèi)，相對(duì)殘余應(yīng)變的最大絕對(duì)值是19.4%，也低于規(guī)定限值，說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也合乎設(shè)計(jì)要求。

(3)加載前后，J1、J2、J3截面四周的裂縫觀測(cè)結(jié)果顯示，未見(jiàn)明顯裂縫。

綜上所述,當(dāng)該類型橋梁受力情況正常的時(shí)候，橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度均合乎要求。