班新林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京　100081)

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王萬(wàn)線松花江特大橋( 60 +9×96 +60) m剛構(gòu)連續(xù)梁靜載試驗(yàn)研究

班新林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081)

摘要:哈爾濱王(崗)萬(wàn)(樂(lè))線松花江特大橋采用( 60 + 9×96 + 60) m剛構(gòu)連續(xù)梁橋式，結(jié)構(gòu)新穎，是跨越松花江航道的重要橋梁。針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展靜載試驗(yàn)研究，試驗(yàn)內(nèi)容包括主梁混凝土應(yīng)力測(cè)試、剛構(gòu)墩混凝土應(yīng)力測(cè)試、跨中撓度測(cè)試和梁端轉(zhuǎn)角測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)力、應(yīng)變、撓度和轉(zhuǎn)角校驗(yàn)系數(shù)均＜1，換算靜活載撓跨比滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，滿足安全運(yùn)營(yíng)的需要。

關(guān)鍵詞:剛構(gòu)連續(xù)梁連續(xù)梁靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)混凝土應(yīng)力

1　大橋概況

哈爾濱王萬(wàn)線松花江特大橋( 60 + 9×96 + 60) m剛構(gòu)連續(xù)梁位于哈爾濱鐵路王崗—萬(wàn)樂(lè)區(qū)間，是哈爾濱鐵路樞紐新建王萬(wàn)線主橋部分，全長(zhǎng)985. 55 m，共11孔，第6跨為剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，其余跨為連續(xù)梁。大橋中心里程為K18 + 456，于2007年8月20日建成通車。橋跨布置見圖1。

圖1松花江特大橋橋跨布置(單位: m)

該橋設(shè)計(jì)活載為中活載，位于直線平坡段，雙線無(wú)縫線路，線間距4 m。剛構(gòu)連續(xù)梁兩端設(shè)有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，橋上線路等級(jí)Ⅰ級(jí)，軌道采用60 kg/m鋼軌，軌底至梁頂?shù)理暮穸葹?0 cm。二期恒載110 kN/m。大橋跨越松花江，橋位處航道等級(jí)為Ⅲ-( 2)級(jí)。

剛構(gòu)連續(xù)梁為單箱單室直腹板箱梁，中支點(diǎn)附近梁高7. 2 m，端支點(diǎn)及跨中附近梁高3. 9 m，梁高以二次拋物線變化。剛構(gòu)連續(xù)梁43#～47#，50#～54#墩為活動(dòng)支座，支座類型均采用鉸軸滑板鋼支座。橋墩類型均為鋼筋混凝土墩，其中48#，49#墩為剛構(gòu)墩，基礎(chǔ)全部為鉆孔樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1. 25 m。

松花江特大橋的主橋橫跨松花江主航道，2007年建成通車，至今尚未進(jìn)行檢定評(píng)估試驗(yàn)。對(duì)大橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，可以檢定其運(yùn)營(yíng)性能，掌握結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為大橋的養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

2剛構(gòu)連續(xù)梁的特點(diǎn)

剛構(gòu)連續(xù)梁同時(shí)涵蓋了混凝土剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的基本特征，48#和49#墩使用墩梁固結(jié)代替了連續(xù)梁的固定支座，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。

2. 1剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋?qū)Ρ确治?/p>

將剛構(gòu)連續(xù)梁的兩個(gè)剛構(gòu)墩改為支座，形成一個(gè)普通連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，并在第6跨布滿均布荷載。剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖2。由圖2可知，剛構(gòu)連續(xù)梁橋相對(duì)于普通連續(xù)梁橋，跨中撓度及主梁彎矩均較小。這是因?yàn)閯倶?gòu)墩與主梁固結(jié)，橋墩承擔(dān)一部分彎矩。

2. 2剛構(gòu)墩的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

將剛構(gòu)墩的剛度調(diào)整至原剛度的50%，80%，150%和200%，將第6跨布滿均布荷載。剛構(gòu)墩剛度變化對(duì)主梁的影響見圖3。由圖3( a)可知，隨著剛構(gòu)墩的剛度增加，跨中撓度減小，越遠(yuǎn)離加載跨，影響越小。由圖3( b)可知，主梁彎矩隨著剛構(gòu)墩剛度的增大而減小。因此在剛構(gòu)連續(xù)梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以綜合考慮墩臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和梁體設(shè)計(jì)需求，選擇合適的剛構(gòu)墩剛度。

圖2剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3剛構(gòu)墩剛度變化對(duì)主梁的影響

3　試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括主梁混凝土應(yīng)力、剛構(gòu)墩應(yīng)力、主梁撓度和梁端轉(zhuǎn)角。

3. 1混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)剛構(gòu)連續(xù)梁的受力特點(diǎn)，全橋選擇6個(gè)應(yīng)力測(cè)試截面，分別是A1(第1跨0. 4L處)、A2( 44#墩處梁體)、A3(第2跨跨中)、A4( 48#墩處梁體)、A5(第6跨跨中)和A6( 48#墩的墩身變截面處)。主梁每個(gè)測(cè)試截面，在頂板、底板及腹板沿截面高度均勻布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，見圖4。

圖4測(cè)試截面A5應(yīng)變傳感器布置(單位: cm)

測(cè)試截面A6布置在剛構(gòu)墩變截面處，也是活載作用下應(yīng)力最大處。在橋墩面向大、小里程側(cè)均勻布設(shè)5個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，見圖5。

圖5測(cè)試截面A6應(yīng)變傳感器布置(單位: cm)

3. 2變形及梁端轉(zhuǎn)角測(cè)點(diǎn)布置

1)豎向撓度

主橋撓度測(cè)點(diǎn)布置在第1，2，5，6跨的跨中，布置在橋面單線加載側(cè)(下游側(cè)梁體翼緣)。

2)梁體傾角

使用傾角儀測(cè)試加載過(guò)程中梁體傾角，測(cè)點(diǎn)布置在48#墩梁墩固結(jié)處，在支點(diǎn)橫隔板的進(jìn)人孔內(nèi)側(cè)墻壁上，上、下游各一個(gè)。

3. 3加載輪位

考慮試驗(yàn)加載要求，最終加載的是輪位1，3，4，5，8，9，10，加載工況分別為截面A1最大正彎矩、截面A3最大正彎矩、截面A6最大負(fù)彎矩、截面A5最大正彎矩、截面A6最大正彎矩偏載、截面A6最大負(fù)彎矩偏載和截面A4最大負(fù)彎矩偏載。

4　試驗(yàn)結(jié)果

以截面A5內(nèi)力最大加載工況為例，分析剛構(gòu)連續(xù)梁的受力狀態(tài)。即在輪位5加載時(shí)，計(jì)算分析測(cè)試截面A5混凝土應(yīng)力、測(cè)試截面A6應(yīng)變、第6跨跨中撓度及48#墩處主梁轉(zhuǎn)角。

在設(shè)計(jì)活載作用下(考慮沖擊效應(yīng)和雙線折減系數(shù))，測(cè)試截面A5的彎矩為72 971. 2 kN·m，測(cè)試截面A6的彎矩為61 791. 9 kN·m，第6跨跨中撓度為－65. 68 mm。在輪位5加載時(shí)，測(cè)試截面A5的彎矩為49 516. 0 kN·m，測(cè)試截面A6的彎矩為32 341. 4 kN·m，第6跨跨中撓度為－40. 64 mm。因此，相應(yīng)的加載效率分別為67. 9%，52. 4%和61. 9%。

4. 1主梁應(yīng)力

混凝土主梁應(yīng)力計(jì)算式為

式中:σ為計(jì)算位置的混凝土應(yīng)力，MPa; M為計(jì)算截面的彎矩，kN·m; y為計(jì)算位置至截面形心的距離，m; I為計(jì)算截面的慣性矩，m4。

輪位5加載時(shí)測(cè)試截面A5的頂板、底板應(yīng)力見表1。

表1輪位5加載下測(cè)試截面A5的頂板、底板應(yīng)力MPa

由表1可知，根據(jù)測(cè)試截面A5的換算截面特性，計(jì)算得到底板混凝土理論拉應(yīng)力為4. 46 MPa，頂板理論壓應(yīng)力為－3. 20 MPa。經(jīng)過(guò)三次重復(fù)加載循環(huán)，截面A5頂板和底板應(yīng)力仍保持一致。將三次加載的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行平均，頂板測(cè)點(diǎn)中最大壓應(yīng)力為－1. 44 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0. 45;底板測(cè)點(diǎn)中最大拉應(yīng)力為3. 11 MPa，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0. 70。二者校驗(yàn)系數(shù)均＜1，表明結(jié)構(gòu)受力安全。實(shí)測(cè)值與理論值的差別主要是因?yàn)閷?shí)際混凝土彈性模量大于設(shè)計(jì)值。

A5截面腹板實(shí)測(cè)應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)高度的關(guān)系見圖6。由圖6可知，A5腹板測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)力與其距離底緣的高度呈良好線性關(guān)系，表明結(jié)構(gòu)受力符合平截面假定。分析得到實(shí)測(cè)截面中性軸高度為2. 286 m，大于理論值2. 061 m，這是由于軌道結(jié)構(gòu)部分參與結(jié)構(gòu)受力和截面尺寸施工誤差所致。

圖6 A5截面腹板實(shí)測(cè)應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)高度的關(guān)系

4. 2剛構(gòu)墩應(yīng)力

靜載試驗(yàn)輪位作用下，測(cè)試截面A6表面應(yīng)變由軸壓力N、面內(nèi)彎矩M1(彎矩方向垂直主梁縱向軸線)和面外彎矩M2(彎矩方向平行主梁縱向軸線)共同作用下產(chǎn)生的。計(jì)算公式為

式中: W1為截面面內(nèi)抵抗矩，W2為截面面外抵抗矩，A為截面面積。

表2輪位5加載時(shí)測(cè)試截面A6的實(shí)測(cè)應(yīng)變　　×10－6

在輪位5加載時(shí)，考慮截面配筋情況、彎矩和軸力，確定A6截面中心軸位置，不考慮拉區(qū)混凝土作用，計(jì)算得到王崗側(cè)鋼筋拉應(yīng)變?yōu)?77. 5×10－6，萬(wàn)樂(lè)側(cè)混凝土壓應(yīng)變?yōu)椋?98. 3×10－6。輪位5加載時(shí)測(cè)試截面A6的實(shí)測(cè)應(yīng)變見表2。由表2可知，由于輪位5為雙線對(duì)稱加載，截面A6沒(méi)有面外彎矩的作用，同一側(cè)的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變也比較一致。將三次加載的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行平均，王崗側(cè)測(cè)點(diǎn)中最大拉應(yīng)變?yōu)?7. 8× 10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0. 49;萬(wàn)樂(lè)側(cè)測(cè)點(diǎn)中最大壓應(yīng)變?yōu)椋?9. 7×10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0. 45。二者應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均＜1。

4. 3變形及轉(zhuǎn)角

在輪位5作用下，第6跨最大撓度為－32. 0 mm，相應(yīng)的理論值為－40. 6 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0. 79。根據(jù)撓度理論值與設(shè)計(jì)活載靜撓度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)測(cè)撓度換算成設(shè)計(jì)活載靜撓度為－47. 1 mm，相應(yīng)的撓跨比為1 /2 038。本橋各跨最小梁高與跨度比值為1 /15. 4～1 /24. 6，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中梁高與跨度比值在1 /14～1 /16的預(yù)應(yīng)力混凝土梁豎向撓跨比通常值為1 /1 300，實(shí)測(cè)豎向撓跨比滿足規(guī)范要求。

在輪位5作用下，梁端轉(zhuǎn)角平均為0. 000 575 rad，相應(yīng)的理論值為0. 000 786 rad，轉(zhuǎn)角校驗(yàn)系數(shù)為0. 73。由實(shí)測(cè)梁端轉(zhuǎn)角推算第6跨跨中下?lián)现禐?7. 6 mm，轉(zhuǎn)角換算下?lián)现蹬c實(shí)測(cè)撓度值一致。

5　結(jié)論

以第6跨跨中內(nèi)力最大加載工況為例得到以下結(jié)論:①主梁測(cè)試截面頂板和底板應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均＜1，腹板測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)力與其距離底緣的高度呈良好線性關(guān)系，表明結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，并符合平截面假定;②實(shí)測(cè)剛構(gòu)墩應(yīng)變分布規(guī)律與理論分析結(jié)果保持一致，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)＜1;③實(shí)測(cè)撓度和梁端轉(zhuǎn)角校驗(yàn)系數(shù)均＜1，換算設(shè)計(jì)靜活載撓跨比滿足規(guī)范要求，梁端轉(zhuǎn)角推算跨中撓度值與實(shí)測(cè)值比較一致。結(jié)構(gòu)受力安全，滿足正常運(yùn)營(yíng)需求。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任審編鄭冰)

Static load test study on ( 60 +9×96 +60) m rigid frame continuous girder of Songhua river bridge on Wanggang-Wanle railway

BAN Xinlin

( China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:A novel structure of Songhua River bridge on Haerbin W anggang-W anle railway with a rigid frame continuous girder type，it is an important bridge across the Songhua river waterway．T he static load test was carried out according to the structure characteristics．T he test included the concrete stress test on beam and pier，deflection test on middle span，and the angle test on the conjection of beam and pier．T he results show that the testing coefficient of stress，strain，deflection and angle was less than 1．0．T he conversion static load deflection span ratio meets the requirements of the specification．T he structure is still in the elastic state，and meets the need of safe operation．

Key words:Rigid frame continuous girder; Continuous beam; Static load test; T esting coefficient; Concrete stress

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0027-04

作者簡(jiǎn)介:班新新( 1984—)，男，助理研究員，博士研究生。

收稿日期:2015-10-20;修回日期: 2015-12-15

中圖分類號(hào):U448．21+5; U448．23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．06