胡　健,軒俊杰

（1．江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049；2.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

積石峽黃河大橋靜載試驗(yàn)研究

胡健1,軒俊杰2

（1．江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049；2.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

通過(guò)對(duì)積石峽黃河大橋進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，掌握了橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力。通過(guò)對(duì)橋梁控制截面的應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了模擬分析，借此判斷出了橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，并對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量進(jìn)行了初步評(píng)估。

橋梁檢測(cè)；靜載試驗(yàn)；荷載工況；有限元分析

0　引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和施工技術(shù)的發(fā)展，一些新橋型、新材料和新工藝在橋梁施工中逐漸得到廣泛應(yīng)用。從發(fā)達(dá)國(guó)家橋梁的使用情況來(lái)看，混凝土橋梁在使用20～30 a后，就會(huì)出現(xiàn)安全性與耐久性方面的問(wèn)題，橋梁的相關(guān)性能亦會(huì)退化、衰減，從而導(dǎo)致承載力不夠、適用性不足等問(wèn)題。能否找到某種科學(xué)、適用、有效的方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的試驗(yàn)檢測(cè)和診斷評(píng)定，并對(duì)橋梁進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、加固，已成為業(yè)界的重要課題。

目前，業(yè)界最有效、最成熟的檢測(cè)方法是動(dòng)靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)可獲得控制截面處的應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫寬度，判斷橋梁的承載能力及工作性能；動(dòng)載試驗(yàn)則可獲得橋梁的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)行車(chē)響應(yīng)等參數(shù)，并以此判定橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和行車(chē)性能。限于篇幅，本文以靜載試驗(yàn)為例，合理地布置測(cè)點(diǎn)，擬定工況，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了受力模擬，判斷出了橋梁的安全承載能力和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

1　工程概況

積石峽黃河大橋位于青海省積石峽水電站大壩下游的黃河之上，其左岸與水電站的對(duì)外公路連接，右岸則與沿河公路相接，是壩區(qū)內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?。積石峽黃河大橋主橋上部為36 m+ 63 m+28 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面寬度14 m，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-80級(jí)和掛車(chē)-300。橫截面為單箱單室箱形截面，根部梁高4.0 m，跨中梁高為2 m，從距墩中心3 m處到跨中按二次拋物線變化。箱梁頂板寬14 m，底板寬7.0 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.5 m，全橋僅零號(hào)塊及邊跨端部設(shè)置橫隔板。

2　靜載試驗(yàn)內(nèi)容、方案及工況

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

（1）主梁組合應(yīng)力；（2）主梁豎向撓度；（3）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形及扭矩效應(yīng)。

2.2測(cè)點(diǎn)布置

（1）應(yīng)變計(jì)布置

對(duì)于大跨度三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，通過(guò)對(duì)主要承重結(jié)構(gòu)細(xì)致的理論分析和計(jì)算，確定各測(cè)試截面和測(cè)點(diǎn)布置。

在橋面埋設(shè)數(shù)據(jù)采集盒，將應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)線集中引至數(shù)據(jù)采集盒。兩合攏段各布設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)采集盒，具體布置在翼緣邊方便測(cè)量處。兩墩頂位置因有兩個(gè)控制截面，所以在墩中心位置兩側(cè)翼緣布置兩個(gè)線盒，導(dǎo)線采用就近布設(shè)原則，如圖1所示。

（2）應(yīng)變片布置方案[1]

應(yīng)變片的布置方案如圖2所示，沿著箱梁橫斷面共布設(shè)了12個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（3）主梁撓度和變形測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

主梁撓度和變形測(cè)點(diǎn)共布設(shè)了7處，沿著橋梁縱向布置，如圖3所示。

圖1　橋梁測(cè)點(diǎn)布置立面圖

圖2　跨中截面應(yīng)變片布置圖

圖3　變形測(cè)點(diǎn)布置圖

主梁撓度測(cè)試斷面選擇中跨1/2斷面、中跨左1/4斷面、中跨右1/4斷面、左邊跨1/2斷面、右邊跨1/2斷面和兩個(gè)墩頂共7個(gè)斷面。每個(gè)斷面在兩個(gè)翼緣邊均設(shè)置立尺點(diǎn)以便分析結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形及扭矩效應(yīng)[2]。

2.3工況及加載效率

該橋靜力荷載試驗(yàn)共有11種工況，各工況的加載效率值η見(jiàn)表1。

由表1可以看出，各工況的等效加載效率均分布在0.8≤η<1.05范圍內(nèi)，完全符合《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》中的規(guī)定[3]。

3　檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）撓度檢測(cè)結(jié)果

表1　加載效率η值表

撓度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

（2）應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

11種工況下的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表3。

（3）實(shí)測(cè)撓度值和理論撓度值對(duì)比曲線

將邊跨控制截面和中跨控制截面各自在分級(jí)荷載下的實(shí)測(cè)撓度值和理論撓度值繪出對(duì)比曲線散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖4）。

由實(shí)測(cè)撓度值和理論撓度值曲線散點(diǎn)圖可知，二者的擬合度較高，且實(shí)測(cè)值小于理論值，該橋梁在靜載作用下發(fā)生的撓度在允許的范圍之內(nèi)，橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)比較安全。

表2　撓度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3　11種工況下的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果表

圖4　中跨控制截面分級(jí)荷載撓度對(duì)比曲線圖

（4）數(shù)據(jù)整理分析

整理統(tǒng)計(jì)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊跨控制截面和中跨控制截面在分級(jí)加載時(shí)撓度校驗(yàn)系數(shù)大部分在0.4～0.8之間；實(shí)測(cè)最大撓度0.013 3 m，理論最大撓度0.019 m，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)為0.007 8 m；底板應(yīng)力控制截面分級(jí)加載校驗(yàn)系數(shù)在0.7～1.0之間，達(dá)到設(shè)計(jì)滿載時(shí)最小值為1.13 MPa，理論計(jì)算值為4.74 MPa（成橋狀態(tài)，未考慮溫度影響）。實(shí)測(cè)頂板壓應(yīng)力在5.87～8.0 MPa之間。橋梁整體的工作狀態(tài)屬安全范疇之內(nèi)。

3.2有限元計(jì)算與分析

（1）模型與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算程序采用大型結(jié)構(gòu)分析有限元程序ANSYS。該連續(xù)鋼構(gòu)橋采用三維空間模型。全橋模型一共210 338個(gè)單元，單元類(lèi)型選用SOLID45，主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁采用C50混凝土，其彈性模量EX=3.5E10，泊松比PRXY=0.167，密度Density= 2 500 kg/m3。橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用等效荷載法來(lái)模擬，模型中在箱梁頂板有橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的兩端節(jié)點(diǎn)上施加壓應(yīng)力f=366.8 kN，全橋模型如圖5所示。

圖5　橋梁ANSYS建模圖

（2）跨中箱梁的橫向應(yīng)力云圖（考慮掛車(chē)-300荷載）（見(jiàn)圖6）

圖6　跨中箱梁頂板橫截面處的橫向應(yīng)力云圖

通過(guò)跨中箱梁橫向應(yīng)力圖可以看出：在加掛車(chē)荷載的地方（即圖中深色區(qū)域），出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，其值為-3.88 MPa；由于頂板橫向張拉力，從而翼緣板下部出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值為0.4 MPa，其值滿足規(guī)范要求[5]。

（3）跨中箱梁的橫向應(yīng)力云圖（考慮人群荷載）（見(jiàn)圖7）

圖7　跨中箱梁橫向應(yīng)力云圖

通過(guò)跨中箱梁橫向應(yīng)力圖可以看出：在施加人群荷載的部位，壓應(yīng)力值為-3.71 MPa；腹板上方的橋面板壓應(yīng)力值為-1.17 MPa；由于頂板橫向張拉力，從而翼緣板下部出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值滿足規(guī)范要求[5]。

通過(guò)ANSYS軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)：若只考慮某一種內(nèi)力影響的加載方式，是不能如實(shí)地反映出橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力的，如具備條件可分別進(jìn)行抗彎、抗拉、抗剪和抗扭試驗(yàn)，并應(yīng)考慮三種效應(yīng)的加載組合方式，這樣可全面、如實(shí)地評(píng)估橋梁的工作性能[6]。

4　結(jié)　論

（1）邊跨控制截面和中跨控制截面在分級(jí)加載時(shí)撓度校驗(yàn)系數(shù)大部在0.4～0.8之間，小于規(guī)范規(guī)定的1.05上限。實(shí)測(cè)最大撓度0.013 3 m，理論最大撓度0.019 m，滿足規(guī)范要求。偏載工況時(shí)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，為0.007 8 m，滿足要求。故橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

（2）底板應(yīng)力控制截面分級(jí)加載校驗(yàn)系數(shù)在0.7～1.0之間，均在規(guī)范規(guī)定的1.05上限之內(nèi)，滿足正常要求范圍。實(shí)測(cè)頂板壓應(yīng)力在5.87～8.0 MPa之間，變化較底板壓應(yīng)力穩(wěn)定，在滿載時(shí)有5.87 MPa較大的應(yīng)力儲(chǔ)備，故橋梁滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（3）達(dá)到設(shè)計(jì)滿載時(shí)底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備最小值為1.13 MPa，故目前可以達(dá)到滿載通車(chē)要求，但考慮到溫度變化和預(yù)應(yīng)力損失等因素的影響，在通過(guò)大型特種車(chē)輛時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

（4）中跨跨中達(dá)到滿載荷載時(shí)底板壓應(yīng)力最小值為1.13 MPa，理論計(jì)算值為4.74 MPa?？紤]到一般預(yù)應(yīng)力損失在1～3 a內(nèi)損失較大，尤其第一年比較劇烈，三年后逐步緩慢，故建議在第一年末和第三年末注意再進(jìn)行檢測(cè)。

[1]施尚偉,向中.橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2012;

[2]朱鄭,馮劍平.李家巷大橋靜載試驗(yàn)及剛混結(jié)合段受力分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2012，8(4):37.

[3]交通部公路科學(xué)研究所.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[4]GB 50081-2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]JTJ 021-89,公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]葛新民，何先明,等.大跨徑混凝土橋梁成橋靜載試驗(yàn)研究[J].公路工程,2008,2(1):133.

U446

B

1009-7716（2016）03-0068-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.020

2015-12-17

胡健(1981-)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，從事橋梁、隧道、公路工程建設(shè)工作。