何智, 李娟娟
(1.四川省興冶巖土工程檢測(cè)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610036;2.四川省冶勘設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610036)
現(xiàn)代橋梁建設(shè)中,隨著施工單位設(shè)備保有量日益增加,要求盡可能減少對(duì)環(huán)境和既有交通的影響,同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)、高效的原則,裝配式橋梁作為一種技術(shù)成熟的結(jié)構(gòu)形式,往往是首先被考慮的橋型。裝配式橋梁,多數(shù)是在施工條件較好的梁場(chǎng)預(yù)制梁片,批量化生產(chǎn),保證梁體質(zhì)量的同時(shí),大大縮短了施工時(shí)間,預(yù)制場(chǎng)的硬化層也可合理再利用[1],為公路橋梁建設(shè)帶來了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
為檢驗(yàn)預(yù)制梁片的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量,評(píng)定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),靜載試驗(yàn)是最直接、有效的檢測(cè)手段。靜載試驗(yàn)是通過直接測(cè)量結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的一系列響應(yīng)(包括變形、應(yīng)力等)來了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能。當(dāng)前,對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載試驗(yàn)主要執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[2]、JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[3]等。靜載試驗(yàn)時(shí),如何準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)制梁的目標(biāo)內(nèi)力,以使試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)荷載作用下最不利受力狀態(tài)一致是該文探討的出發(fā)點(diǎn)。
靜載試驗(yàn)效率的本質(zhì)是在試驗(yàn)靜荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值,交通運(yùn)輸部頒布實(shí)施的JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定,靜載試驗(yàn)效率按式(1)計(jì)算:
(1)
式中:Ss為靜載試驗(yàn)荷載作用下,某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值;S′為設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值;μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值[1]。
實(shí)際靜載試驗(yàn)計(jì)算中,大多是先在規(guī)范要求范圍內(nèi)初擬一靜載試驗(yàn)效率值,反算加載的試驗(yàn)荷載。式(1)中,S′是計(jì)算試驗(yàn)荷載的關(guān)鍵參數(shù),若設(shè)計(jì)荷載包括汽車荷載、人群荷載或其他不考慮沖擊系數(shù)的荷載時(shí),采用上述表達(dá)式容易產(chǎn)生歧義。嚴(yán)格來說,當(dāng)不同的作用效應(yīng)可按線性關(guān)系考慮時(shí),此時(shí)若要采用上述表達(dá)式,S′則應(yīng)采用式(2)進(jìn)行換算,或?qū)⑹?1)改寫為式(3)。
S′=Sq+Sr/(1+μ)
(2)
(3)
式中:Sq為考慮沖擊系數(shù)的荷載;Sr為不計(jì)入沖擊系數(shù)的荷載(如人群荷載)。
此外,JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中并未明確闡述這一最不利效應(yīng)計(jì)算值的深刻含義,主要包括:① 最不利效應(yīng)計(jì)算值應(yīng)考慮哪些荷載作用;② 如何考慮荷載效應(yīng)組合。總之,靜載試驗(yàn)效率計(jì)算時(shí),最主要的問題在于如何準(zhǔn)確得到最不利效應(yīng)計(jì)算值,現(xiàn)行規(guī)范對(duì)此并未闡述清楚,建議在后續(xù)修訂時(shí)提出指導(dǎo)性、原則性的意見。
針對(duì)預(yù)制梁靜載試驗(yàn),該文以下分析中最不利效應(yīng)為控制截面內(nèi)力,暫考慮結(jié)構(gòu)恒載和移動(dòng)荷載,采用標(biāo)準(zhǔn)組合形式。
對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁而言,多數(shù)是采用空心板、小箱梁或T梁等結(jié)構(gòu)形式,單片試驗(yàn)梁與結(jié)構(gòu)體系中的梁受力是不相同的。主要表現(xiàn)在:① 若結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)體系,負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力能減小跨中截面正彎矩,從而提高結(jié)構(gòu)承載力,而預(yù)制梁試驗(yàn)時(shí)則往往為簡(jiǎn)支構(gòu)件;② 結(jié)構(gòu)體系梁通過鉸縫、濕接縫和橫隔板等與相鄰梁聯(lián)結(jié),其受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)整體布置有關(guān);③ 結(jié)構(gòu)體系梁有現(xiàn)澆層,現(xiàn)澆層具有聯(lián)絡(luò)主梁共同受力的作用,同時(shí)也可以分散荷載并作為主結(jié)構(gòu)的一部分參與受力[4],增大了梁的截面剛度,相比預(yù)制試驗(yàn)梁,其承載能力明顯較大,且這一影響較為顯著[5],以高1.2 m箱梁、現(xiàn)澆層8 cm混凝土為例,其差異可達(dá)14%。
所謂的應(yīng)力等效是指對(duì)預(yù)制梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力與施工過程中或成橋后某狀態(tài)下的應(yīng)力相同?;谶@一原理,可對(duì)預(yù)制梁在整個(gè)生命周期內(nèi)某時(shí)刻的受力進(jìn)行模擬試驗(yàn),以判斷預(yù)制梁的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。也就是說,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)分析梁體在后續(xù)施工、運(yùn)營(yíng)過程中的受力情況,以最不利狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力作為目標(biāo),通過這一應(yīng)力反算靜載試驗(yàn)的最不利效應(yīng)內(nèi)力。
為進(jìn)一步描述這一理念,以某先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)的預(yù)制箱梁為例闡述如下。
橋梁上部結(jié)構(gòu)的施工過程如圖1所示,分析其整個(gè)施工及后續(xù)通車運(yùn)營(yíng)過程中邊跨箱梁底板底面跨中截面處的應(yīng)力可知:當(dāng)箱梁完成預(yù)制平放擱置于臺(tái)座上時(shí),自重不產(chǎn)生內(nèi)力(不考慮預(yù)制梁的預(yù)拱度),此時(shí)底板底面主要由于預(yù)應(yīng)力鋼束而具有較大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備;當(dāng)架設(shè)到蓋梁上時(shí),自重產(chǎn)生拉應(yīng)力使底板底面壓應(yīng)力減小;施工濕接縫、橫隔板等橫向聯(lián)結(jié)時(shí),同樣使底板底面壓應(yīng)力減??;張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束使箱梁跨中有上拱趨勢(shì),底板底面壓應(yīng)力增大;施工現(xiàn)澆層、瀝青層和護(hù)欄以及后續(xù)通車運(yùn)營(yíng)均使跨中截面產(chǎn)生正彎矩,底板底面壓應(yīng)力進(jìn)一步減小,其應(yīng)力變化如圖2所示。顯然,從理論上講,當(dāng)負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力布置很大,而橋面二期恒載和移動(dòng)荷載較小時(shí),箱梁在施工濕接縫和橫隔板等橫向聯(lián)結(jié)后底板底面的壓應(yīng)力儲(chǔ)備可能最小,則為最不利狀態(tài)。對(duì)大多數(shù)公路橋而言,二期恒載和移動(dòng)荷載在跨中截面底板底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大,考慮移動(dòng)荷載的運(yùn)營(yíng)通車階段往往是箱梁底板底面壓應(yīng)力儲(chǔ)備較小的狀態(tài),甚至可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此,若準(zhǔn)確計(jì)算得到這一最不利狀態(tài)下箱梁底板底面的應(yīng)力,可利用應(yīng)力等效的原理,以此反算預(yù)制箱梁靜載試驗(yàn)的目標(biāo)內(nèi)力和試驗(yàn)荷載,此時(shí)靜載試驗(yàn)效率為1.00。
圖1 上部結(jié)構(gòu)施工流程
圖2 箱梁底板底面跨中截面應(yīng)力變化
如前文所述,要計(jì)算最不利效應(yīng)內(nèi)力,關(guān)鍵是尋求最不利狀態(tài)下截面應(yīng)力,可直接建立有限元模型,進(jìn)行施工階段和移動(dòng)荷載分析,通過“施工階段聯(lián)合截面”等功能來考慮濕接縫、混凝土現(xiàn)澆層參與結(jié)構(gòu)受力,以此可獲得最不利狀態(tài)下截面應(yīng)力??紤]建立施工階段模型繁冗,該文提出采用以下思路確定截面最不利狀態(tài)下內(nèi)力。
2.2.1 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)
對(duì)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的預(yù)制梁靜載試驗(yàn)而言,多數(shù)是在梁場(chǎng)進(jìn)行,按簡(jiǎn)支梁的邊界條件對(duì)其進(jìn)行支承,此時(shí),預(yù)制梁的受力狀態(tài)與實(shí)際施工架設(shè)完畢后的狀態(tài)相同,假設(shè)此時(shí)梁體自重和預(yù)應(yīng)力作用下控制截面應(yīng)力為σ1,這一應(yīng)力已真實(shí)存在于預(yù)制梁中,因此,靜載試驗(yàn)時(shí),不考慮這一應(yīng)力。將后續(xù)各施工階段所考慮的荷載簡(jiǎn)化為均布荷載、集中荷載,即可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算控制截面彎矩,進(jìn)而可用材料力學(xué)方法計(jì)算各項(xiàng)應(yīng)力。后續(xù)施工過程中,施工濕接縫和橫隔板在控制截面產(chǎn)生應(yīng)力σ2、施工整體現(xiàn)澆層產(chǎn)生應(yīng)力σ4、施工瀝青鋪裝層和護(hù)欄產(chǎn)生應(yīng)力σ5以及移動(dòng)荷載產(chǎn)生應(yīng)力σ6,其計(jì)算如表1所示。不考慮預(yù)制梁自重和預(yù)應(yīng)力情況下,后續(xù)施工和運(yùn)營(yíng)過程中,預(yù)制梁控制截面尚有σ2、σ4、σ5、σ6的應(yīng)力增量,設(shè)應(yīng)力增量和為Δσ,根據(jù)應(yīng)力等效原理,靜載試驗(yàn)亦應(yīng)使箱梁底面產(chǎn)生Δσ的應(yīng)力增量,則此時(shí)控制截面應(yīng)加載產(chǎn)生的內(nèi)力為:
(4)
式中:M為試驗(yàn)靜荷載在控制截面應(yīng)產(chǎn)生的彎矩;I為預(yù)制梁的截面抗彎慣性矩;y為預(yù)制梁中性軸至截面邊緣距離。
當(dāng)考慮靜載試驗(yàn)效率時(shí),在式(4)分子部分乘以系數(shù)ηq即可。
表1 應(yīng)力計(jì)算
2.2.2 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)
對(duì)于簡(jiǎn)支變連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系而言,混凝土現(xiàn)澆層、瀝青層和護(hù)欄等在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)體系之后進(jìn)行施工,可對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到目標(biāo)跨的彎矩值,再根據(jù)表1計(jì)算σ4~σ6。
結(jié)構(gòu)在施工完濕接縫和橫隔板之后,進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換,此時(shí)控制截面在自重、濕接縫和橫隔板作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)簡(jiǎn)支狀況并不相同,負(fù)彎矩區(qū)的預(yù)應(yīng)力張拉使跨中截面下緣的壓應(yīng)力儲(chǔ)備增大,再疊加σ4~σ6應(yīng)力,下緣的拉應(yīng)力水平會(huì)小于簡(jiǎn)支情況(壓應(yīng)力水平大于簡(jiǎn)支情況),因此,需要建立有限元模型進(jìn)行施工階段分析,計(jì)算完成體系轉(zhuǎn)換之后控制截面的真實(shí)應(yīng)力再進(jìn)行疊加即為最不利狀態(tài)的真實(shí)應(yīng)力,設(shè)為σ,則預(yù)制梁試驗(yàn)時(shí)應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增量Δσ=σ-σ1,再根據(jù)式(4)即可計(jì)算控制截面的加載內(nèi)力。
另一種思路是:設(shè)預(yù)制梁簡(jiǎn)支狀態(tài)下的控制截面應(yīng)力為σ1,與架設(shè)后應(yīng)力狀態(tài)完全一致,施工濕接縫和橫隔板仍然是在結(jié)構(gòu)處于簡(jiǎn)支狀態(tài)下進(jìn)行,很容易得到控制截面的應(yīng)力增量σ2,再對(duì)整體模型(僅施工完濕接縫和橫隔板狀態(tài))施加負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力,可得控制截面的應(yīng)力變化Δσ預(yù)(對(duì)邊跨最大正彎矩截面底面,Δσ預(yù)為壓應(yīng)力,取為負(fù)值),控制截面此時(shí)的應(yīng)力為σ1+σ2+Δσ預(yù),再疊加σ4~σ6應(yīng)力,即:
σ=σ1+σ2+Δσ預(yù)+σ4+σ5+σ6
(5)
而對(duì)預(yù)制梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí),σ1已存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,因此,其靜載試驗(yàn)的應(yīng)力增量為:
Δσ=σ2+Δσ預(yù)+σ4+σ5+σ6
(6)
值得注意的是:在計(jì)算σ4~σ6時(shí),應(yīng)分析試驗(yàn)梁處于的橋跨位置,通常情況下,邊跨在對(duì)應(yīng)荷載作用下受力最不利??紤]各橋跨縱向的內(nèi)力分布與橋梁各跨整體的剛度比有關(guān),因此,可簡(jiǎn)單處理為在成橋后單獨(dú)考慮混凝土現(xiàn)澆層、瀝青層和護(hù)欄等(模擬為線荷載)獲取試驗(yàn)截面的內(nèi)力,再根據(jù)表1計(jì)算σ4~σ6。
靜載試驗(yàn)大多是在預(yù)制梁施工完畢且材料齡期滿足要求后在梁場(chǎng)進(jìn)行,普遍采用水箱、砂袋、千斤頂輔以其他壓重等方式進(jìn)行加載。無論采用哪種加載方式,試驗(yàn)荷載均不是理想的集中力,而是具有一定的分布寬度,其示意見圖3。
圖3 試驗(yàn)荷載計(jì)算示意圖
考慮荷載分布長(zhǎng)度為a時(shí),有:
(7)
令qa=F,則:
M=F(L/4-a/8)
(8)
(9)
式中:M為跨中截面試驗(yàn)內(nèi)力;F為等效集中力;L、a見圖3。
當(dāng)采用水箱、砂袋等重物加載時(shí),其荷載分布長(zhǎng)度較長(zhǎng),均布荷載大小則為:
(10)
當(dāng)考慮靜載試驗(yàn)效率時(shí),在式(9)、(10)分子乘以系數(shù)ηq即可,針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁板靜載試驗(yàn),建議ηq取值為0.95~1.05。
某預(yù)應(yīng)力混凝土橋跨徑組合為6×20 m,采用預(yù)制小箱梁先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)形式,分左右兩幅,單幅全寬11.25 m,單幅橫向布置4片小箱梁,中心間距2.90 m。預(yù)制小箱梁高1.2 m,頂面寬2.40 m,濕接縫寬0.50 m,在支點(diǎn)附近布置兩道端橫隔板,采用C50混凝土。設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí)(JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定)。其施工流程為預(yù)制箱梁(同時(shí)施工下部結(jié)構(gòu))→架設(shè)箱梁→施工橫向聯(lián)結(jié)、澆筑連續(xù)段混凝土→張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力→施工整體現(xiàn)澆層、瀝青層、護(hù)欄和伸縮縫等→運(yùn)營(yíng)通車。擬對(duì)邊跨預(yù)制中梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。
采用Midas/Civil 針對(duì)整體結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)中梁建立有限元模型。
預(yù)制中梁完成后簡(jiǎn)支時(shí)底板底面應(yīng)力如圖4所示,施工橫向聯(lián)結(jié)時(shí)邊跨中梁產(chǎn)生的彎矩如圖5所示;張拉墩頂負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)箱梁底板底面產(chǎn)生的應(yīng)力如圖6所示,結(jié)構(gòu)連續(xù)后施工整體現(xiàn)澆層以及移動(dòng)荷載產(chǎn)生的彎矩如圖7、8所示。
圖4 預(yù)制中梁簡(jiǎn)支時(shí)底板底面應(yīng)力(單位:MPa)
圖5 施工橫向聯(lián)結(jié)時(shí)中梁彎矩圖(單位:kN·m)
圖6 張拉負(fù)彎矩區(qū)鋼束對(duì)底板底面的應(yīng)力(單位:MPa)
圖7 施工整體現(xiàn)澆層結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位:kN·m)
圖8 移動(dòng)荷載作用下彎矩圖(雙車道)(單位:kN·m)
施工整體現(xiàn)澆層、瀝青層產(chǎn)生的彎矩近似處理為各片梁均分,護(hù)欄和移動(dòng)荷載對(duì)于中梁產(chǎn)生的彎矩根據(jù)中梁橫向影響線進(jìn)行分配,進(jìn)而可計(jì)算施工護(hù)欄以及移動(dòng)荷載作用下中梁承擔(dān)內(nèi)力值。控制截面底面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 控制截面底面應(yīng)力計(jì)算
對(duì)整體有限元模型進(jìn)行考慮預(yù)應(yīng)力等荷載的施工階段分析,張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束后控制截面底板底面的應(yīng)力為-7.67 MPa,疊加表2計(jì)算的σ4~σ6,則成橋運(yùn)營(yíng)階段邊跨控制截面底板底面最不利狀態(tài)下絕對(duì)應(yīng)力σ=-1.45 MPa。試驗(yàn)中梁控制截面在預(yù)制完成后簡(jiǎn)支時(shí)底板底面的絕對(duì)應(yīng)力為-7.17 MPa,因此,靜載試驗(yàn)應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增量為5.72 MPa。
第二種思路計(jì)算如下:預(yù)制梁在簡(jiǎn)支狀態(tài)下,施工濕接縫、橫隔板等在控制截面底板底面產(chǎn)生應(yīng)力σ2=0.50 MPa,張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力引起控制截面底板底面的應(yīng)力σ預(yù)=-1.00 MPa,再疊加σ4~σ6同樣可得應(yīng)力增量Δσ=5.72 MPa。
預(yù)制中梁控制截面抗彎慣性矩為0.166 8 m4,截面中性軸至底面距離為0.739 m,根據(jù)式(4)計(jì)算試驗(yàn)荷載應(yīng)在控制截面產(chǎn)生的彎矩為1 291.06 kN·m。假定試驗(yàn)時(shí)支承中心線間距19 m,取靜載試驗(yàn)效率為1.00,當(dāng)采用5 m長(zhǎng)的均布荷載加載時(shí),均布荷載為62.60 kN/m;當(dāng)采用反力千斤頂(近似考慮分布長(zhǎng)度30 cm)進(jìn)行加載時(shí),千斤頂提供集中力為273.96 kN即可。
運(yùn)用應(yīng)力等效原理能將結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)相同轉(zhuǎn)換為內(nèi)力計(jì)算,從而與規(guī)范要求的根據(jù)內(nèi)力(或位移)計(jì)算靜載試驗(yàn)效率相吻合。通過對(duì)應(yīng)力等效原理的闡述,分析簡(jiǎn)支和連續(xù)結(jié)構(gòu)預(yù)制梁靜載試驗(yàn)的計(jì)算,得到以下結(jié)論:
(1) 現(xiàn)行規(guī)范JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)靜載試驗(yàn)效率的計(jì)算規(guī)定容易產(chǎn)生歧義,且并未深刻闡述最不利效應(yīng)計(jì)算值的含義,建議在后續(xù)修訂時(shí)提出指導(dǎo)性、原則性的意見。
(2) 應(yīng)力等效,就是在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力與設(shè)計(jì)荷載作用下最不利受力狀態(tài)的應(yīng)力相同,將應(yīng)力等效的原理用于預(yù)制梁靜載試驗(yàn)計(jì)算,其思路簡(jiǎn)明清晰,能將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為與規(guī)范要求吻合的內(nèi)力,從而計(jì)算靜載試驗(yàn)效率。
(3) 針對(duì)先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系,張拉負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力能增大正彎矩區(qū)控制截面底面的壓應(yīng)力,進(jìn)一步提高其壓應(yīng)力儲(chǔ)備,對(duì)預(yù)制梁靜載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)充分考慮這一影響。
(4) 計(jì)算試驗(yàn)荷載時(shí),應(yīng)考慮試驗(yàn)荷載分布長(zhǎng)度的影響,特別是當(dāng)靜載效率系數(shù)取規(guī)范要求下限值時(shí),簡(jiǎn)單地將分布長(zhǎng)度較短的荷載考慮為集中力易導(dǎo)致截面真實(shí)效率系數(shù)不滿足規(guī)范要求。