既有簡支空心板橋受彎荷載試驗研究

黃 帥，高杰義

（1.山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030006；2.山西晉北高速公路養(yǎng)護有限公司，山西 太原 030006）

引言

預應力混凝土空心板橋建筑高度小、構造簡單、預制裝配化程度高，能適應各種形狀的彎、坡、斜橋，成為國內高速公路、干線公路上使用最多和里程數(shù)最長的橋型。隨著橋梁運營周期的增長以及橋梁規(guī)范中汽車荷載等級的逐漸提高，我國在二十世紀末修建的一大批空心板橋的受彎承載力可能出現(xiàn)不滿足《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）要求的問題。在高速公路改擴建過程中如果完全拆除這批橋梁來建設新橋，需要耗費大量砂、石、水泥與鋼材，勢必給經濟與環(huán)境帶來巨大負擔，與國家倡導的環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念相悖。部分檢測結果表明此類橋梁的主要病害是由于抗彎承載力不足導致的底板橫向裂縫以及橫向聯(lián)系不足導致的底板縱向裂縫。

1 工程概況

兩座跨徑為13 m與16 m的空心板橋梁體未見明顯病害，見表1?？招陌鍢蛑髁簷M截面構造見圖1。

圖1 空心板橋橫截面構造/cm

表1 空心板橋梁

表1中兩座橋梁均依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）進行設計，13 m與16 m跨徑的混凝土空心板梁、鉸縫與10 cm厚整體化現(xiàn)澆混凝土層均采用40#混凝土。預應力鋼絞線采用ASTM 416-87標準270級鋼絞線，抗拉強度為 1 860 MPa，松弛率為3.5%，13 m與16 m空心板采用Φj12.7鋼絞線。

2 簡支空心板橋受彎荷載試驗方案

試驗主要通過靜載試驗測定橋梁控制斷面在試驗荷載下的應力和撓度，并與理論計算值相比較，以獲得橋梁的實際受力狀況，了解橋梁的服役狀況，評價橋梁在現(xiàn)行設計荷載下的工作性能[1-4]。

2.1 試驗工況

僅進行跨中截面最大彎矩工況的靜載試驗，根據(jù)空心板橋梁邊板與中板截面尺寸不同的特點，跨中截面最大彎矩工況分為邊板跨中截面最大彎矩工況、中板跨中截面最大彎矩工況。

2.2 試驗荷載

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的有關規(guī)定，同時考慮《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）（簡稱“老標準”）與《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）（簡稱“新標準”）中車道荷載的差異，將空心板橋梁靜載試驗荷載老標準跨中彎矩效率系數(shù)控制在1.0左右，對應的新標準跨中彎矩效率系數(shù)處于0.7～0.8范圍內，數(shù)值見表2。

表2 試驗荷載效率系數(shù)（彎矩/（kN·m）、撓度/mm）

根據(jù)各空心板橋跨中彎矩與撓度最不利效應值確定加載位置及加載車數(shù)量，選擇2輛40 t與2輛30 t三軸標準車進行加載，加載車主要技術指標見表3。

表3 加載車尺寸與重量

2.3 加載位置

加載目的是使邊板和中板受力達到最不利狀態(tài)，由于預制拼裝板梁橋橫向分布明顯的特點，只要合理地布置加載車橫、縱向位置一次即可同時完成中梁與邊梁最不利加載，而不需分別進行中載與偏載試驗。

試驗加載車縱向加載位置通過測試工況對應的影響線確定。選用一定數(shù)量的加載車作用于影響線數(shù)值較大處，為了減少車輛調度次數(shù)，縮短試驗時間，可對加載工況進行適當?shù)睾喜?，適當?shù)卣{整加載車輛位置和間距，同時，滿足各試驗項目的荷載效率系數(shù)要求，使一個加載載位可以兼顧多個試驗項目。各試驗工況的車輛縱向輪載位置見圖2，橫向輪載位位置見圖3。

圖2 縱向輪載位置/m

圖3 橫向輪載位置/cm

2.4 測點布置

試驗所有應變與變形測點均布置在橋梁跨中截面。橋梁豎向變形采用百分表測量，橋梁應變采用電阻應變片測量，溫度補償采用同環(huán)境條件、同材料屬性單點補償。

3 有限元模型

采用Midas civil有限元軟件分別建立13 m、16 m跨徑的預應力混凝土空心板橋的梁格模型[5-6]，見圖4。

圖4 空心板橋有限元模型

空心板梁與橫梁均采用6自由度梁單元模擬，釋放橫梁單元的繞空心板梁軸向的轉動約束。為了對比分析預制空心板上方10 cm后澆混凝土層對橋梁受彎性能的影響，分別采用圖5的兩種截面進行建模。對計算模型施加簡支邊界，模型所用材料性能均與前文介紹保持一致。移動荷載采用程序自帶的車道荷載模擬，采用實測的尺寸與軸重在模型相應位置施加集中荷載來模擬試驗加載車。

圖5 兩種計算截面（僅示出中板）

4 靜載試驗測試結果與分析

13 m、16 m兩種跨徑空心板梁在試驗荷載作用下的下緣應力結果見表4與圖6、圖7。

表4 空心板梁下緣應力試驗值與理論分析值

圖6 13 m跨徑空心板下緣應力對比

圖7 16 m跨徑空心板下緣應力對比

可以看出，兩座空心板橋的應力實測值普遍小于有限元計算值，應力實測值與考慮10 cm混凝土現(xiàn)澆層參與受力的應力理論計算值的比值主要處于0.67～1.0之間，應力實測值與不考慮10 cm混凝土現(xiàn)澆層參與受力的應力理論計算值的比值主要處于0.33～0.86之間，說明橋梁具有良好的工作性能，并具有一定的安全儲備。卸載后空心板梁殘余應變較小，表明兩座空心板梁橋在試驗荷載作用下均處于彈性工作狀態(tài)。

對比圖6、圖7中三種應力結果可知，對于設置后澆混凝土層的空心板橋，在計算分析時如果不考慮后澆混凝土層對空心板抗彎的影響，則會使得理論計算值偏大，結構設計偏保守，在橋梁設計過程中，將混凝土后澆層對空心板抗彎性能的提升作為設計儲備是合理的。但在建立空心板橋荷載試驗用有限元模型時，應考慮混凝土后澆層的影響，否則會影響對試驗測試結果的判斷。進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，兩座橋的橫向分布性能較好，均表現(xiàn)出由加載側向非加載側受力逐漸減小的趨勢。

5 結語

（1）兩座空心板橋的應力校驗系數(shù)均＜1，理論值均大于實測值，結構強度滿足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求，并有一定的承載潛力。（2）兩座空心板橋的應力實測值與有限元分析值的變化趨勢均吻合良好，但應力實測值與考慮10 cm后澆混凝土層的有限元分析結果更為接近，表明推薦的有限元模擬方法能很好地反映空心板橋的實際狀態(tài)。（3）設置后澆混凝土層的空心板橋，建議在進行設計計算分析時不考慮后澆混凝土層，這樣可以增加結構的承載能力儲備，在研究結構的實際受力狀態(tài)時，需考慮混凝土后澆層的影響，否則會影響對結構實際受力狀態(tài)的判斷。