大件運輸車組通過混凝土簡支空心板梁橋檢測方法

郭斌

摘要 文章采用常見的小載荷車組，在預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁橋面上進行布載，對橋梁上部結(jié)構(gòu)變形進行實時監(jiān)測，采用理論分析方法對橫向分布系數(shù)進行驗證。建立MIDAS/Civil有限元仿真模型，對大件運輸車組通過橋梁時的荷載狀態(tài)進行模擬加載，分別對橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)抗彎承載力和抗剪承載力進行驗算。結(jié)果表明，實測橫向分布系數(shù)與理論計算結(jié)果變化趨勢一致，實橋有限元模型能對橋梁承載力進行可靠度評估，明確大件運輸車組是否能夠安全通行。

關(guān)鍵詞 大件運輸車組；混凝土；空心板梁橋；檢測方法

中圖分類號 U223文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0055-04

0 引言

根據(jù)交通運輸部在2020年年底統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，我國公路總里程已達到5 200 000 km，形成以高速公路為骨架，普通干線為脈絡(luò)，農(nóng)村公路為基礎(chǔ)的全國公路網(wǎng)，橋梁總數(shù)達到91.28萬座，中小跨徑的橋梁占橋梁總數(shù)86%以上[1]。由于混凝土材料具有抗壓力不承抗拉的特點，鋼筋混凝土橋梁在外部荷載、腐蝕環(huán)境、材料老化等條件下，存在結(jié)構(gòu)強度下降、表面出現(xiàn)裂縫、動力力學(xué)特性降低等安全隱患，中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的安全威脅更加顯著[2-3]。Maas等[4-5]利用研發(fā)的一種沖擊裝置對大跨徑橋梁進行了靜載試驗和沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)測撓度與計算撓度基本吻合；亓興軍等[6]利用模態(tài)撓度代替靜載撓度，用來評估簡支空心板橋的實際承載力，得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來，隨著我國基建事業(yè)的快速發(fā)展，利用公路橋梁運輸特大、特重型的工業(yè)設(shè)備日趨頻繁，公路橋梁受到的荷載顯著增加。由于原有公路橋梁承載能力下降，以及設(shè)計荷載等級的限制，無法滿足大件運輸車輛的安全通行[7]。為了確保公路橋梁承載力能夠滿足要求，在大件運輸車組通行過程中需要對橋梁上部結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，并采用MIDAS/Civil有限元軟件對其承載力進行數(shù)值模擬，研究大件運輸車組通行中橋梁性能的變化。

1 工程背景與橋梁靜載試驗

1.1 工程背景

公司某橋式運輸項目車組需要通過橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土的簡支梁橋，跨徑組合為17.8 m×4+18.6 m+

17.8 m，主墩采用空心混凝土墩內(nèi)填毛石及砂礫石，邊跨采用重力式橋臺和樁柱式橋墩，空心板梁梁高均為0.85 m，梁底寬均為1 m，邊梁翼緣寬度為0.25 m。主要技術(shù)標準：橋梁全長112.45 m，橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土面層，13 cm厚鋼筋混凝土墊層。設(shè)計荷載：汽車-超20 t、掛車-120 t。橋面寬度：28 m=0.5 m（防撞護欄）+12.5 m（車行道）+2 m（中央分隔帶）+12.5 m（車行道）+0.5 m（防撞護欄）。如圖1所示，為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋橫斷面形式布置圖，梁號從左到右依次為1#、2#、3#……13#。為確保大件運輸車組能夠在橋梁上正常通行，分別對其進行上部結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、橋梁靜荷載試驗、有限元數(shù)值模擬，以此判斷該橋梁是否處于安全狀態(tài)，為橋梁安全正常運營提供技術(shù)保障。

1.2 橋梁狀態(tài)監(jiān)測

1.2.1 試驗荷載

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）[8]為依據(jù)，橋梁的靜力試驗按荷載效率ηb來確定試驗的最大荷載，則靜載效率ηb的計算公式如式（1）所示：

式中，Ss——靜載試驗下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計算效應(yīng)值；S——控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計算值；μ——按規(guī)范取用的沖擊數(shù)值。

1.2.2 運輸車荷載橫向分布系數(shù)測試

在大件運輸車組通過橋梁前，需要對其進行檢測，檢測后整個橋梁在設(shè)計荷載下技術(shù)狀態(tài)評定等級為2類。該文大件運輸車組選用的主車自重15 t，掛車自重175 t，貨物總重375 t，平均荷載16.9 t，大型設(shè)備在整個運行過程中不可拆卸。大件運輸車組總體布置如圖2所示。

如表1所示，為大件車運輸車組撓度實測值及橫向分布系數(shù)。如圖3所示，為橋梁橫向分布系數(shù)對比。從表1和圖3可以看出，大件運輸車組測試的橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)與理論橫向分布系數(shù)基本相吻合，其中實測橫向分布值7#梁最大，最大值為0.103，理論橫向分布值7#梁最大，最大值為0.105，實測值較理論值略小。實測橫向分布系數(shù)曲線與理論值變化趨勢一致，且實測橫向分布曲線較為平滑，無明顯突變，表明空心板梁間橫向連接良好。

1.2.3 靜載試驗

該試驗加載方式采用5輛42 t載重車進行加載，加載分2級進行（1級加載1～3號車，2級加載4～5號車），車輛布置方式如圖4所示。單梁試驗荷載為494.54 kN，由式（1）計算得到荷載效率為1.00。應(yīng)變實測值與校驗系數(shù)如表2所示。從表2可知，5#梁校驗系數(shù)的主要測點中最大的，實測應(yīng)變值/理論應(yīng)變值為0.50，小于規(guī)范限制值0.70。因此，在工況滿載作用下，橋梁的校驗系數(shù)滿足規(guī)范要求，具有一定的安全儲備。其中，8#梁二級加載撓度值最大，實測撓度值為?5.29 mm，實測撓度值與理論撓度值之比為0.49，遠小于規(guī)范值0.7，故在工況滿載作用下，橋梁的校驗系數(shù)滿足規(guī)范要求，也具有一定安全儲備。

2 大件運輸車組荷載驗算

該文驗算采用荷載效應(yīng)對比法對該次大件運輸車組過橋荷載進行驗算，計算橋梁取汽車-超20級（計算荷載）及掛車-120（驗算荷載），公式為：

S=1.2SG+1.4SQ1 （2）

S=1.2SG+1.1SQ2 （3）

式中，SG——永久荷載中結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的效應(yīng)；SQ1——基本可變荷載中汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)；SQ2——基本可變荷載中平板掛車或履帶車產(chǎn)生的效應(yīng)。其余橋梁參照《城市橋梁設(shè)計荷載標準》（CJJ 77—98）中規(guī)定[9]，使用城-A級汽車荷載進行驗算。

2.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)

對于空心板梁，跨中截面采用鉸接梁法來計算其荷載橫向分布系數(shù)，支點處采用杠桿原理計算在大件運輸車組荷載作用下的橫向分布系數(shù)。由于大件運輸車組應(yīng)行駛在橋梁的中間車道上，避免走兩側(cè)的車道而造成沒有必要的結(jié)構(gòu)受力增大，故采用MIDAS/Civil 2021建立橋梁上部結(jié)構(gòu)的單梁模型，如圖5所示，由該軟件計算得出7#梁橫向分布系數(shù)最大。該程序計算得到空心板梁在恒載及大件運輸車組荷載作用下的跨中最大正彎矩為625.55 kN·m，支點最大剪力為142.98 kN。

2.1.1 抗彎承載力

采用單梁法將計算荷載與驗算荷載加載至單梁結(jié)構(gòu)上，通過橫向分布系數(shù)計算最不利荷載分布在主梁上進行荷載效應(yīng)對比驗算。在特殊車輛荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力乘以橫向分布系數(shù)，再加上恒載內(nèi)力（自重及二期恒載），計算得到7#梁的組合內(nèi)力值，7#梁抗彎驗算結(jié)果如表3所示。從表3可知，汽車-超20級計算荷載為1 289.68 kN，掛車-120計算荷載為1 398.20 kN，正截面抗彎承載力為1 479.59 kN，三者均滿足規(guī)范[8]要求。

2.1.2 抗剪承載力

根據(jù)該橋現(xiàn)狀，利用MIDAS/Civil大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，結(jié)合單梁法對主梁最不利布載下進行荷載效應(yīng)對比驗算，計算支點截面最大組合剪力為293.84 kN，其汽車-超20級支座處最大剪力為319.73 kN，掛車-120支座處最大剪力為340.71 kN，斜截面抗剪承載力支座處最大剪力為808.16 kN。其計算荷載和驗算荷載均能滿足規(guī)范[8]要求，結(jié)構(gòu)安全。

2.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)

對橋梁進行有限元建模，將最不例外荷載作為外力施加在蓋梁上，對其進行結(jié)構(gòu)驗算，模型及蓋梁布置圖如圖6所示。當核算對象為蓋梁抗彎（正彎矩）時，大件運輸車組荷載為284.31 kN·m，正截面抗彎3 660.2 kN·m；當檢測對象為蓋梁抗剪時，大件運輸車組荷載為628.64 kN·m，斜截面抗剪承載力為3 660.20 kN·m；當檢測對象為墩柱抗壓時，大件運輸車組荷載為?1 859.04 kN·m，墩柱抗壓承載能力為?13 006.19 kN·m。因此，在給定的大件運輸車組荷載作用下，下部結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)驗算能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)論

（1）在大件運輸車組通過簡支橋梁過程中，監(jiān)測得出該橋上部結(jié)構(gòu)的橫向分析系數(shù)與理論分析系數(shù)基本吻合，兩種方法結(jié)果一致，均得出7#梁橫向分布值最大，實測值略小于理論值。

（2）采用常見小噸位車輛在橋梁上布載，結(jié)合荷載效應(yīng)對比法，對橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的抗彎承載力、抗剪承載力進行了驗算。結(jié)果表明：橋梁結(jié)構(gòu)承載力能夠滿足大件運輸車輛沿橋梁安全通行的需求。

（3）構(gòu)建了MIDAS/Civil有限元仿真模型，對大件運輸車輛通過橋梁實際狀態(tài)進行了模擬加載，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相吻合，表明該模型能夠模擬橋梁的實際工作狀態(tài)，為大件運輸車組能否通過橋梁提供判斷依據(jù)。

參考文獻

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