文/周群

1 前言

高墩大跨度橋梁，由于其自身具有較好的受力性能、大跨度能力、工程造價(jià)低等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在西部地區(qū)。但是隨著使用時(shí)間的增加和外界荷載不斷作用下，會(huì)出現(xiàn)梁體破裂、預(yù)應(yīng)力減小、下?lián)线^(guò)大等病害，給橋梁結(jié)構(gòu)的性能和使用安全造成嚴(yán)重的影響。

本文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，基于實(shí)際的工程案例，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，通過(guò)荷載試驗(yàn)及采用有限元軟件Midas-Civil，建立大橋施工-運(yùn)營(yíng)分析模型，對(duì)高墩大跨度混凝土橋的性能進(jìn)行分析，探究高墩大跨度混凝土橋的整體性能。

2 工程概況及模型設(shè)計(jì)

此橋梁工程位于西部偏遠(yuǎn)山區(qū)的高速公路，采用（95+3×150+95）m 的混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案，主墩高分別為：65m、125m、140m、45m。運(yùn)用有限元軟件Midas-Civil 建立結(jié)構(gòu)模型，對(duì)橋梁整體進(jìn)行受力分析和性能評(píng)估。

在荷載試驗(yàn)前，應(yīng)該對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義，其中，ε 表示車(chē)道折減系數(shù)、1+μ 表示活載沖擊系數(shù)、η 表示活載偏心影響提高系數(shù)、ML表示活載效應(yīng)。車(chē)道荷載效應(yīng)的內(nèi)力見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)荷載工況內(nèi)力信息

續(xù)表

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的相關(guān)要求，應(yīng)當(dāng)使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載效應(yīng)組合來(lái)評(píng)估橋梁的正常使用性能，即短期作用效應(yīng)組合與長(zhǎng)期作用效應(yīng)組合[1]。通常短期效應(yīng)組合可以用公式（1）計(jì)算：

式（1）中：Ssd表示作用短期效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；SGik表示第i 個(gè)永久作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；φ1j表示第j 個(gè)可變作用效應(yīng)的頻域值系數(shù)；SQjk表示第j 個(gè)可變作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值[2]。

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范取值，實(shí)際公式可以化簡(jiǎn)為：

式（2）中：SG1表示結(jié)構(gòu)一期恒載（除橋面鋪裝與附屬設(shè)施外）的重力作用，SG2表示結(jié)構(gòu)二期恒載（橋面鋪裝與附屬設(shè)施）的重力作用，SQ1表示汽車(chē)荷載效應(yīng)作用，SQ2表示人群荷載效應(yīng)作用，SQ3表示溫度梯度荷載效應(yīng)作用[3]。

橋梁在正常使用的情況下的極限狀態(tài)作用，可用短期一次效應(yīng)組合來(lái)表示。但是實(shí)際情況中應(yīng)該考慮預(yù)應(yīng)力等其他因素對(duì)橋梁的影響，可用短期二次效應(yīng)組合來(lái)表示。通常長(zhǎng)期效應(yīng)組合可以由公式（3）計(jì)算：

式（3）中：SId表示長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，φ2j表示第j 個(gè)可變作用效應(yīng)的準(zhǔn)永久值系數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范取值[4]，實(shí)際公式可以化簡(jiǎn)為：

3 荷載試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

靜載試驗(yàn)中，用確定好的偏載系數(shù)、撓度校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在荷載作用下，對(duì)主梁測(cè)試截面的靜力撓度、靜力應(yīng)變，墩-梁結(jié)合部位截面的結(jié)構(gòu)變位，墩底測(cè)試截面的靜力應(yīng)變，主梁梁體的新生裂縫情況進(jìn)行試驗(yàn)[5]，以此評(píng)估大橋的荷載能力。

3.1 靜載試驗(yàn)分析

橋面鋪裝地層、承臺(tái)及墩身采用C30 混凝土，主橋橋墩采用C40 混凝土，主橋箱梁采用C50 混凝土，容重都為25kN/m3。全橋結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐譃?80 個(gè)。

現(xiàn)場(chǎng)在對(duì)各加載點(diǎn)進(jìn)行車(chē)輛熄火加載，每個(gè)加載工況需要進(jìn)行2 次試驗(yàn)。每次加載試驗(yàn)時(shí)，必須保證車(chē)輛熄火，原地穩(wěn)定維持5min。穩(wěn)定后，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。加載方案為各車(chē)道加載車(chē)數(shù)量分級(jí)加載，第一次和第二次加載試驗(yàn)必須間隔10min 以上，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)回復(fù)形變，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最終結(jié)合有限元模型計(jì)算的理論值分析比較[6]。

3.2 應(yīng)變分析

在3 次靜載平行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的荷載作用下，通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)合有限元軟件分析可知，應(yīng)變實(shí)測(cè)值除以理論值，其結(jié)果就是靜載試驗(yàn)加載過(guò)程中的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，可用公式（5）來(lái)表示，各靜載試驗(yàn)工況的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各試驗(yàn)工況的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)

式（5）中：α 表示應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)；Si表示應(yīng)變實(shí)測(cè)值；Sc表示應(yīng)變理論計(jì)算值[7]。

由表2 可知，在各種試驗(yàn)情況下，試驗(yàn)橋梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大部分?jǐn)?shù)值都比較小，且都在正常的范圍之內(nèi)。說(shuō)明大橋在加載過(guò)程中的形變很小，橋梁的剛度和橫向聯(lián)系較好，處于壽命工作前期，承載能力較強(qiáng)，安全性高。

3.3 撓度分析

不同靜載加載試驗(yàn)中，撓度校驗(yàn)系數(shù)等于撓度實(shí)測(cè)值除以理論計(jì)算值，具體計(jì)算公式：

式（6）中：β 表示應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)；di表示應(yīng)變實(shí)測(cè)值；dc表示應(yīng)變理論計(jì)算值。

在不同工況試驗(yàn)中，試驗(yàn)橋梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為：邊跨為0.5L1截面在中載情況下，測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.69，偏載測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.72，平均值為0.71；次邊跨跨中截面在中載情況下，測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.685，偏載測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.71，平均值為0.70。

由以上數(shù)據(jù)可知，在各種試驗(yàn)情況下，試驗(yàn)橋梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大部分?jǐn)?shù)值都比較小，且都在正常的范圍之內(nèi)，說(shuō)明大橋在加載過(guò)程中的下?lián)锨闆r較合理，橋梁的剛度和橫向聯(lián)系較好、承載能力較強(qiáng)[8]。

3.4 橫向分布分析

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載的作用下，試驗(yàn)橋的橫向偏載系數(shù)實(shí)測(cè)值大部分都不大于1.13，靜力試驗(yàn)可以充分地反映出大橋的剛度和橫向聯(lián)系較好，處于壽命工作前期，承載能力較強(qiáng)，安全性高。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高墩大跨混凝土梁橋正常使用性能評(píng)價(jià)問(wèn)題，以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，提出基于荷載試驗(yàn)的高墩大跨混凝土梁橋正常使用性能評(píng)價(jià)方法。通過(guò)設(shè)計(jì)符合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的靜、動(dòng)載荷載工況，并分析各類(lèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：荷載試驗(yàn)評(píng)定技術(shù)相對(duì)于其他評(píng)估方法更能科學(xué)、準(zhǔn)確、直觀、有效地反映出高墩大跨度混凝土橋的正常使用性能。