張燕清

(三明市交通建設(shè)投資有限公司， 福建三明 365000)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋安全性評價

張燕清

(三明市交通建設(shè)投資有限公司， 福建三明 365000)

【摘要】文章以高速公路上一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋為工程背景，采用有限元軟件建立理論模型，進行荷載試驗，將實測值與理論計算值進行比較分析，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范對該橋進行承載能力檢算，評價該橋工作性能是否符合要求，對其他同類橋梁的工作性能評價具有參考意義。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)剛構(gòu)；荷載試驗；承載能力檢算；工作性能

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力大，整體性能強，抗彎抗扭剛度大，且外觀簡潔優(yōu)美，施工難度小，行車舒順，養(yǎng)護簡便，造價較低，噪音小，被越來越廣泛地應(yīng)用于長大跨徑、高墩橋梁上。其結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點是中間橋墩采用墩梁固結(jié)，下部結(jié)構(gòu)一般采用柔性橋墩，以減少因主梁的預(yù)應(yīng)力張拉、溫度變化、混凝土收縮、徐變等作用引起的變形受到橋墩約束后產(chǎn)生的次內(nèi)力。

1工程概況

某高速公路上的一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋，平面上位于半徑為1 100 m圓曲線內(nèi)，全橋共6聯(lián)，橋型布置為(3×30+4×30) m連續(xù)剛構(gòu)T梁+(50+90+50) m變截面連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁+(3×30+4×30+3×30) m連續(xù)剛構(gòu)T梁，全長707 m，橋面寬度為(0.5 m防撞欄+凈11.75 m+0.5 m防撞欄)。

本文的研究對象為該橋主橋(50+90+50) m變截面連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁(圖1)，主要施工工藝為掛籃懸澆。控制斷面梁高：中支點處5.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處1.8 m，其高跨比分別為1∶15.79和1∶46.88；梁高變化段梁底曲線采用1.6次拋物線。箱梁橫斷面為單箱單室直腹板，箱梁頂板寬度為12.75 m，底寬為6.75 m，箱梁梁體兩翼緣板懸臂長度為3.0 m。箱梁底板水平，通過兩腹板的高差，實現(xiàn)頂板單向橫坡。通過平曲線內(nèi)外側(cè)箱梁長度差，實現(xiàn)平曲線。

圖1　某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋總體布置(單位：m)

主墩為6.75 m×4.6 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎(chǔ)為4根直徑2.5 m雙排鋼筋混凝土群樁；交界墩為6.5 m×2.8 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎(chǔ)為4根直徑2.0 m雙排鋼筋混凝土土群樁。主墩高度分別為79 m、66 m，屬于薄壁空心高墩，施工設(shè)備需采用塔吊。因山區(qū)風力強大，高空作業(yè)施工安全風險高。

箱梁采用C55混凝土，橋面鋪裝C40防水混凝土，箱梁橋墩墩身C50，橋墩承臺C40，橋墩樁基C30。設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級。為了解橋跨結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下的實際受力狀態(tài)，評價結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能，檢驗其是否滿足設(shè)計荷載等級要求，對該橋進行了荷載試驗和承載能力檢算分析。

2靜載試驗

2.1靜載試驗工況及檢驗對象

根據(jù)該橋施工設(shè)計圖紙，應(yīng)用有限元計算軟件進行建模計算分析，模型見圖2，理論彎矩包絡(luò)圖見圖3，理論剪力包絡(luò)圖見圖4。以設(shè)計標準活載產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗荷載。然后根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1。各跨主要測試截面見圖5。由表2可知，該橋的試驗荷載效率η滿足文獻[3]基本荷載試驗規(guī)定的要求0.80≤η≤1.00。

圖2　某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋模型

圖3　理論彎矩包絡(luò)圖

2.2測點布置

應(yīng)變測點布置：在各控制截面的箱梁底部以及Ⅳ-Ⅳ截面的腹板側(cè)面粘貼混凝土應(yīng)變片進行測量，各控制截面應(yīng)變測點布置見圖6。

圖4　理論剪力包絡(luò)圖

圖5　試驗測試截面示意(m)

工況加載方式測試截面測試內(nèi)容123左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第8跨最大正彎矩截面(Ⅰ-Ⅰ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)456左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第9跨跨中截面(Ⅱ-Ⅱ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)789左側(cè)偏載中載右側(cè)偏載第9跨1/4截面(Ⅲ-Ⅲ截面)撓度和應(yīng)力(應(yīng)變)10中載8#墩支點負彎矩截面(Ⅳ-Ⅳ截面)應(yīng)力(應(yīng)變)和中性軸

表2　靜力試驗荷載效率

撓度測點布置：在各控制截面的橋面左右兩側(cè)護欄位置布設(shè)塔尺，采用精密水準儀進行測量。

2.3試驗數(shù)據(jù)及與理論值的比較分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表3所示，實測應(yīng)變及其與理論計算值的比較如表4所示?？梢钥闯觯摌虻?跨最大正彎矩截面撓度校驗系數(shù)為0.77～0.81，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.76～0.80；第9跨跨中截面撓度校驗系數(shù)為0.73～0.77，應(yīng)變校驗系數(shù)

(a)Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面

(b)Ⅳ-Ⅳ截面圖6　各控制截面應(yīng)變測點布置(cm)

mm

表4　各控制截面應(yīng)變分析表　μ

為0.77～0.84；第9跨1/4截面撓度校驗系數(shù)為0.79～0.82，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.80～0.88；各截面撓度校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)均處于文獻[3]規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)；各截面相對殘余撓度和應(yīng)變均小于文獻[3]規(guī)定的20%。

2.4支點截面中性軸分析

在試驗加載工況10作用下，Ⅳ-Ⅳ截面測點的實測應(yīng)變變化情況及其與理論計算值的比較如圖7所示。

圖7　Ⅳ-Ⅳ截面應(yīng)變測點沿梁高變化情況

分析各測點的實測應(yīng)變數(shù)據(jù)可以得出，實測的箱梁截面中性軸位置距梁底高度為3.86 m，與理論計算得到的截面中性軸位置(3.82 m)基本相同。從圖7可以看出，實測應(yīng)變沿梁高基本呈線性變化，表明箱梁處于彈性受力狀態(tài)。

3自振特性試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動響應(yīng)，測試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

3.1自振特性結(jié)果及分析

在各跨8分點位置橋面上放置脈動測點傳感器，實測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的豎向1階和2階自振頻率及振型。該橋?qū)崪y豎向1階和2階自振頻率分別為1.72 Hz和2.91 Hz，大于理論計算值1.56 Hz和2.69 Hz，實測振型與理論計算振型基本吻合。自振特性試驗表明該橋的實測整體剛度比理論計算值大，處于較理想的狀態(tài)。實測與理論計算的豎向1階和2階自振頻率及振型對比圖見圖8。

4箱梁承載能力檢算分析

對該橋上部結(jié)構(gòu)進行承載能力檢算，結(jié)合上述荷載試驗結(jié)果對橋跨結(jié)構(gòu)的工作性能進行評定。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，選?、?Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ截面作為檢算截面。檢算內(nèi)容包括橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下相應(yīng)的作用效應(yīng)組合及各組合情況下的正截面抗彎和斜截面抗剪承載力。

4.1檢算資料

橋面寬度：凈11.75 m行車道+2×0.50 m護欄；

車道數(shù)：3車道，車道折減系數(shù)取0.78；

混凝土強度等級為C55，彈性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.2，抗壓強度設(shè)計值fcd=24.4 MPa；

二期恒載：橋面鋪裝為8 cm厚C40防水混凝土+防水層+7 cm厚瀝青混凝土層，密度重按24.5 kN/m3計；

設(shè)計荷載：公路Ⅰ級；汽車制動力及沖擊力：按橋規(guī)取用；

(a)實測豎向1階(f1=1.72 Hz)

(b)計算豎向1階(f1=1.56 Hz)

(d)計算豎向1階(f1=2.69 Hz)圖8　實測與計算豎向1階和2階自振頻率及振型圖對比

(c)實測豎向1階(f2=2.91 Hz)

溫升：+25℃；溫降：-10℃；

混凝土收縮徐變：按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范計算。

4.2檢算荷載組合及荷載效應(yīng)分析

承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)采用基本組合，其表達式為：

各參數(shù)詳見文獻[1]。其中溫度效應(yīng)分為溫升效應(yīng)和溫降效應(yīng)，以使組合效應(yīng)達到最大值為準。

4.3檢算公式

由文獻[4]可知，配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)下的檢算公式為：

各參數(shù)詳見文獻[4]。其中γ0=1.0， ξe=0， ξc=ξs=1.0；由靜載試驗結(jié)果可知，箱梁各控制截面的撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)最大值為0.88，根據(jù)規(guī)定，當進行荷載試驗時，取荷載試驗后的檢算系數(shù)Z2代替上式Z1進行檢算，因此根據(jù)文獻[4]查表得承載能力檢算系數(shù)Z2=1.01。

4.4正截面抗彎承載力檢算

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)基本組合計算結(jié)果如圖9所示，Ⅱ-Ⅱ截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見表5?？芍?，該橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下滿足正截面抗彎要求。

圖9　承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)(基本組合)

kN·m

4.5斜截面抗剪承載力檢算

橋跨結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)受剪荷載效應(yīng)基本組合計算結(jié)果如圖10所示，Ⅳ-Ⅳ截面抗剪承載能力檢算結(jié)果見表6。可知，該橋跨結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下滿足斜截面抗剪要求。

圖10　承載能力極限狀態(tài)受剪荷載效應(yīng)(基本組合)

5結(jié)論

(1)該橋各控制截面的撓度校驗系數(shù)為0.73～0.82，應(yīng)變校驗系數(shù)為0.76～0.88；各控制截面撓度校驗系數(shù)和應(yīng)變校驗系數(shù)均處于規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)；各截面相對殘余撓度和應(yīng)變均小于規(guī)定的20%。

表6?、?Ⅳ截面抗剪承載能力檢算　kN

(2)實測的箱梁支點控制截面中性軸位置與理論計算得到的中性軸位置基本相同。箱梁處于彈性受力狀態(tài)。

(3)該橋的實測整體剛度比理論計算值大，處于較理想的狀態(tài)。

(4)橋跨結(jié)構(gòu)符合承載能力極限狀態(tài)下正截面抗彎和斜截面抗剪承載能力要求。

綜上所述，該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸澆箱梁橋的整體工作性能良好，能夠滿足公路I級設(shè)計荷載等級使用要求。

參考文獻

[1]JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2]鄭為明.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋橫向分析[J].福建建筑，2011(7).

[3]YC4-4/1978大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S].1982.

[4]JTG/T J21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[5]JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[作者簡介]張燕清(1964～)，男，本科，高級工程師，從事道路工程建設(shè)與管理工作。

【中圖分類號】U448.23+1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-03-01