劉志權(quán)

(上海貝英吉工程咨詢有限公司，上海 200433)

1979年隨著第1座現(xiàn)代體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁Long Key在美國佛羅里達(dá)州建成[1]，該類橋梁在法國和美國得到較大規(guī)模的發(fā)展，并逐漸得到推廣應(yīng)用。之后，隨著體外索防腐技術(shù)的不斷完善，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性得到保證，在歐洲[2]、美國[3]、日本[4]、泰國[5]得到推廣應(yīng)用。隨著節(jié)段拼裝技術(shù)的發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力與節(jié)段預(yù)制拼裝相結(jié)合，形成了體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁橋，并得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用[6]。

1990年建成的洪塘大橋灘孔橋是我國首座體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土梁橋[7]，隨后在上海滬閔高架[8]、蘇通大橋引橋、上海長江大橋引橋等工程中得到較大規(guī)模應(yīng)用，積累了一定的經(jīng)驗。但已建工程中采用體內(nèi)、體外混合配束方式的結(jié)構(gòu)較多，而采用全體外預(yù)應(yīng)力的工程較少，蕪湖長江公路二橋是我國首次使用全體外預(yù)應(yīng)力的節(jié)段梁橋。

國內(nèi)外對體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁橋的相關(guān)研究主要集中在體外預(yù)應(yīng)力的極限應(yīng)力增量、極限承載能力特性、接縫抗剪特性等方面[8-10]，相關(guān)物理模擬試驗研究采用縮尺模型，對足尺模型試驗的研究極少[11]。1993年，T. Takebayshi等[12]以泰國曼谷二期快速干道工程的節(jié)段梁結(jié)構(gòu)為依托，開展了全世界首個體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土梁橋的足尺模型試驗，該試驗以1跨40 m簡支梁為模型，主要研究了其抗彎極限承載能力。在國內(nèi)，劉釗等[13]以南京長江第四大橋引橋節(jié)段梁為依托，開展了1跨48 m跨徑的節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力梁橋?qū)崢驕y試。該試驗對1跨拼裝式體內(nèi)-體外混合配束的箱梁進(jìn)行加載測試，僅對施工期運梁車作用下的效應(yīng)進(jìn)行試驗測試，未開展承載能力方面的試驗研究。

鑒于目前國內(nèi)外對全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土連續(xù)梁的足尺模型試驗尚未開展過相關(guān)研究，因此有必要通過足尺模型試驗對該類結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)性能和安全性能開展試驗研究。本文依托蕪湖長江公路二橋引橋工程，首次開展全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土連續(xù)梁足尺模型試驗方案設(shè)計研究，以指導(dǎo)全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝連續(xù)梁橋的足尺模型試驗。

1 足尺模型試驗方案總體構(gòu)思

1.1 蕪湖二橋結(jié)構(gòu)特點

1) 結(jié)構(gòu)橫斷面輕薄。斷面頂板厚度22 cm、腹板厚度35 cm、底板厚度20 cm，箱梁壁厚尺寸較傳統(tǒng)截面更薄，且全寬范圍采用等截面無變厚設(shè)計[14-15]。2) 標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)造形式?？v向采用等截面無變厚設(shè)計，跨徑僅有3類預(yù)制節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)化程度很高。3) 縱向分段預(yù)制拼裝。節(jié)段間通過環(huán)氧膠粘結(jié)，節(jié)段預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)接縫間并無縱向鋼筋通過，受施工質(zhì)量影響大，與具有通?？v向鋼筋的整體式結(jié)構(gòu)有較大差異。

1.2 試驗?zāi)康?/h3>

對全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋梁的設(shè)計理論、計算模式、計算假定、施工工藝、施工流程、使用性能和極限性能進(jìn)行系統(tǒng)驗證，以保證結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性。試驗?zāi)康娜缦拢?/p>

1) 系統(tǒng)檢驗節(jié)段梁施工工藝的可靠性。驗證薄壁箱梁在預(yù)制、養(yǎng)護(hù)、存放、吊裝過程等施工工藝的可靠性和準(zhǔn)確性，驗證節(jié)段梁拼裝過程的施工精度，體外預(yù)應(yīng)力穿索、張拉錨固等預(yù)應(yīng)力施工工藝的可靠性。

2) 校核設(shè)計模式和計算假定的合理性和準(zhǔn)確性。驗證設(shè)計過程中對混凝土截面剪力滯效應(yīng)的計算假定，鋼束預(yù)應(yīng)力損失的計算方法，節(jié)段間接縫壓縮變形量假定，對預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土間連接模擬等是否合理、準(zhǔn)確。

3) 檢驗結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)的適用性。系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下混凝土和體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、整體變位、節(jié)段間的相對變位；檢驗轉(zhuǎn)向塊、錨固區(qū)在設(shè)計構(gòu)造下的使用可靠性和安全性，檢驗混凝土截面在使用狀態(tài)下的壓應(yīng)力儲備。

4) 檢驗結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的安全性。測試結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的承載能力，驗證設(shè)計截面承載力計算方法的可靠性。通過系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的受力情況，分析結(jié)構(gòu)破壞機理，明確破壞歷程，驗證結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的安全性。

1.3 試驗總體設(shè)計

結(jié)合上述試驗?zāi)康模敬卧囼炘O(shè)計需同時滿足相似性、完備性和經(jīng)濟(jì)性要求。1) 相似性。試驗梁設(shè)計須與實橋結(jié)構(gòu)基本一致，包括結(jié)構(gòu)尺寸和預(yù)應(yīng)力布置，以確保試驗?zāi)Ｐ偷慕孛鏄O限承載能力和實橋結(jié)構(gòu)的截面極限承載能力相同，保證內(nèi)力狀態(tài)的一致性，以實現(xiàn)對實際結(jié)構(gòu)中各種構(gòu)件受力狀態(tài)的準(zhǔn)確測試和分析。2) 完備性。試驗方案既要對主要施工過程進(jìn)行試驗，同時需要對使用性能和承載能力特性進(jìn)行檢驗。3) 經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合結(jié)構(gòu)概念對試驗梁方案進(jìn)行優(yōu)化，盡量減小試驗梁的總跨徑，同時對試驗節(jié)段進(jìn)行優(yōu)化，盡量采用實橋設(shè)計用的截面尺寸，利用實橋施工用設(shè)備完成試驗梁制作，盡量不增加額外成本。

最終試驗采用“1跨+1/3跨”的試驗梁設(shè)計方案。主跨采用與實橋完全相同的設(shè)計，作為主要測試對象；1/3跨作為配跨，通過端部荷載調(diào)整，使其滿足支點負(fù)彎矩性能測試要求。

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2.1 主梁與體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計

試驗梁的構(gòu)造如圖1所示，主跨的節(jié)段劃分、截面尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束線形、轉(zhuǎn)向塊位置等均與實際橋梁結(jié)構(gòu)相同。主跨共14個預(yù)制節(jié)段，總長39.9 m，包括2個1.9 m的墩頂節(jié)段，12個3 m長的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和轉(zhuǎn)向塊段，2道0.1 m的濕接縫。中跨配置8束型號和線形均與實橋相同的體外預(yù)應(yīng)力。

1/3跨結(jié)構(gòu)的長度為12.9 m，包括1榀1.9 m長的墩頂節(jié)段、1道0.1 m長的濕接縫、2榀3 m長的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、1榀3 m長的加強節(jié)段和1榀1.9 m長的端支點錨固節(jié)段。懸臂段的鋼束設(shè)計采用8束直束設(shè)計，每束鋼絞線型號與實橋一致。

(a) 立面布置

(b) 支點斷面 (c) 跨中斷面

2.2 下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)計

由于試驗加載噸位極大，因此對試驗梁的基礎(chǔ)要求極高，基礎(chǔ)的承載能力和實橋基礎(chǔ)屬于同一量級。如為本試驗專門設(shè)計并建造下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，其費用高昂，經(jīng)濟(jì)性極差。考慮本試驗的主跨尺寸與實橋相同，以此在試驗設(shè)計中充分利用實體工程下部結(jié)構(gòu)，以降低試驗造價。

試驗邊支點和中支點的基礎(chǔ)均采用實橋樁基，為了保障極限加載不對樁基造成破壞，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對樁長和配筋進(jìn)行了適當(dāng)加強。通過在樁基頂部設(shè)置臨時異型短立柱作為試驗梁基礎(chǔ)，在試驗完成后對異型短立柱進(jìn)行拆除，樁基可直接用作實體工程的橋梁樁基。懸臂端部位置的基礎(chǔ)設(shè)計為擴(kuò)大基礎(chǔ)，為懸臂端部的荷載調(diào)整提供反力支撐。

2.3 施工過程模擬

為確保試驗梁與蕪湖二橋?qū)崢虻恼鎸崰顟B(tài)完全一致，完成節(jié)段拼裝施工工藝檢驗，對試驗梁的拼裝過程進(jìn)行模擬。拼裝工藝模擬下行式橋機架設(shè)工藝，模擬過程如下：

1) 在試驗梁腹板下方位置澆筑拼裝臺座，模擬下行式架橋機主桁架。在臺座滿足強度要求后，將所有試驗節(jié)段均擱置在拼裝臺座，待沉降穩(wěn)定后再逐段拼裝。2) 在梁底設(shè)置三向千斤頂作為節(jié)段空間姿態(tài)調(diào)整措施，各預(yù)制節(jié)段拼接的空間姿態(tài)按照短線預(yù)制拼裝工藝的控制要求確定。3) 節(jié)段間接縫采用膠接縫，膠黏劑與實體工程相同。

3 試驗加載與測試設(shè)計

3.1 試驗加載系統(tǒng)設(shè)計

1) 主跨加載。主跨加載系統(tǒng)選用了預(yù)埋地錨加載系統(tǒng)。該加載系統(tǒng)分別在跨中和兩側(cè)轉(zhuǎn)向塊處設(shè)置3個加載點，如圖2所示。各加載點橫向布置2臺聯(lián)動千斤頂，每臺千斤頂?shù)姆峙淞和ㄟ^4根直徑50 mm的精軋螺紋拉桿與地錨連接。千斤頂設(shè)置于橋面上，千斤頂加載過程中產(chǎn)生的反力由混凝土地錨自重平衡，如圖3所示。

單位：m

單位：cm

2) 配跨加載。對于配跨懸臂端部的配載調(diào)整通過梁底設(shè)置千斤頂和頂部加載實現(xiàn)。由千斤頂提供向上荷載，由端部配載提供向下荷載，實現(xiàn)端部荷載靈活調(diào)整。

3) 橋面板抗裂加載。采用車輛加載，利用履帶吊將加載車輛吊至試驗梁橋面，試驗車輛采用雙后軸重各140 kN、前軸重量60 kN、橫向輪距為1.8 m的自卸車。試驗共使用3輛加載車，車內(nèi)堆放沙袋，上橋前對每輛試驗車的總重及軸重進(jìn)行稱重與記錄。稱重后對沙袋進(jìn)行編號，卸除沙袋后空車吊至橋面，再按照編號將沙袋裝車，使其軸重分布與稱重狀態(tài)基本相同。

3.2 試驗測試系統(tǒng)設(shè)計

1) 測試系統(tǒng)設(shè)計原則。根據(jù)試驗方案設(shè)計要求，測試系統(tǒng)需同時滿足位移、應(yīng)變、體外束應(yīng)力、體外束相對變位、裂縫等內(nèi)容。因此測試系統(tǒng)設(shè)計時，既要滿足各不同指標(biāo)自身測量的穩(wěn)定性，又要考慮不同指標(biāo)之間的測量協(xié)調(diào)性，確保在試驗過程中各指標(biāo)能夠快速準(zhǔn)確地完成試驗數(shù)據(jù)的采集與記錄。選用的測試元件可集中在測試區(qū)域完成，降低試驗安全風(fēng)險。

2) 位移測試。位移測試系統(tǒng)采用電子位移計，如圖4(a)所示，并對關(guān)鍵斷面采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行校核。

3) 應(yīng)變測試。采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行采集，如圖4(b)所示，并在關(guān)鍵位置采用振弦式應(yīng)變計進(jìn)行校核。

4) 預(yù)應(yīng)力測試。采用單根鋼絞線磁通量傳感器進(jìn)行測量，并采用整束磁通量傳感器進(jìn)行校核測量，如圖4(c)所示。

5) 裂縫觀測。采用裂縫觀測儀觀測，裂縫持續(xù)開展后采用標(biāo)尺配合圖像識別進(jìn)行測量。

(a) 相對位移測試

(b) 應(yīng)變測試系統(tǒng)

(c) 體外束索力測試

4 試驗加載工況優(yōu)選與設(shè)計

4.1 工藝驗證與成橋狀態(tài)測試

1) 預(yù)制工藝驗證。對試驗節(jié)段的預(yù)制生產(chǎn)工藝進(jìn)行總結(jié)和分析，以形成完善的預(yù)制生產(chǎn)工藝流程；對預(yù)制節(jié)段在拆模和存梁期的節(jié)段變形進(jìn)行測試，提出合理的拆模時間要求。

2) 拼裝工藝驗證。對拼裝過程中節(jié)段的拼接定位精度和膠接縫的質(zhì)量與工藝進(jìn)行測試與總結(jié)；對臨時預(yù)應(yīng)力張拉的可靠性進(jìn)行驗證，檢驗環(huán)氧膠能否均勻擠出，縫寬是否均勻，如圖5所示；對預(yù)應(yīng)力張拉過程進(jìn)行體外束的應(yīng)力變化及結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)進(jìn)行測試，為控制張拉應(yīng)力提出合理修正。

3) 成橋狀態(tài)測試。對成橋狀態(tài)下箱梁的剪力滯特性、壓應(yīng)力儲備、體外束的永存應(yīng)力及錨固橫梁的抗裂性能等結(jié)構(gòu)主要性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

圖5 節(jié)段拼裝工藝驗證

4.2 使用性能測試工況設(shè)計

1) 橋面板抗裂性能測試。結(jié)合節(jié)段拼裝特點和帶肋受力特性確定了橋面板的橫向受力主要由圖6所示的4個點控制，對應(yīng)測試工況如表1所示。為檢驗拼接縫處是否能夠有效傳遞車輪荷載的剪力效應(yīng)，進(jìn)行工況5測試。為測試帶肋工作特性，對工況6、工況7進(jìn)行測試。

2) 縱向使用性能測試。該測試包括跨中最大正彎矩、支點最大負(fù)彎矩和最大偏載工況。試驗設(shè)計中分別對這3種控制工況進(jìn)行模擬測試，以控制斷面內(nèi)力相同為原則確定試驗加載力值。各工況關(guān)鍵斷面處試驗彎矩與實橋彎矩的對比如表2所示，對應(yīng)試驗荷載布置如圖7所示。

圖6 橫向抗裂性能測試控制點

工況編號工況內(nèi)容測試目的工況1工況2工況3工況4頂板跨中(1#)最大正彎矩頂板加腋(2#)最大正彎矩頂板支點(3#)最大負(fù)彎矩頂板支點(4#)最大負(fù)彎矩橫向受力性能工況5接縫最大剪力節(jié)段拼裝特性工況6工況7接縫(縱向)最大正彎矩肋頂(縱向)最大負(fù)彎矩帶肋受力特性

表2 各試驗工況內(nèi)力對比

(a) 跨中最大正彎矩工況

(b) 支點最大負(fù)彎矩工況

(c) 跨中最大扭矩工況

4.3 承載能力極限工況設(shè)計

1) 關(guān)鍵問題。一般而言，極限工況需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性加載，只能針對結(jié)構(gòu)體系中某個關(guān)鍵截面在極限狀態(tài)下承載能力進(jìn)行測試。但對于連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)既需要考慮跨中斷面的承載能力，還需要考慮支點斷面的承載能力，如何兼顧2個關(guān)鍵斷面的性能是試驗設(shè)計的關(guān)鍵。

2) 最大負(fù)彎矩極限工況測試。由于本橋采用逐跨拼裝施工，結(jié)構(gòu)的支點負(fù)彎矩極限設(shè)計值較小，支點截面的承載能力安全儲備相對較高，故在試驗中可對支點負(fù)彎矩只進(jìn)行驗證性檢驗，不做破壞性加載。支點負(fù)彎矩極限工況的設(shè)計最大負(fù)彎矩及試驗加載最大負(fù)彎矩均為-38 331 kN·m，該工況的試驗荷載布置如圖8所示。

單位：kN

3) 最大正彎矩極限加載測試。對跨中截面的最大正彎矩極限承載能力進(jìn)行破壞性試驗，測試結(jié)構(gòu)跨中斷面的極限承載能力。在跨中極限正彎矩加載過程中，先加載至設(shè)計最大正彎矩86 941 kN·m，后持續(xù)加載，直至結(jié)構(gòu)破壞。

通過以上承載能力極限狀態(tài)測試工況的設(shè)計，利用同一個試驗?zāi)Ｐ图葯z驗了支點斷面和跨中斷面的設(shè)計極限承載能力的安全性，又能對該結(jié)構(gòu)的真實極限承載能力進(jìn)行測試，同時滿足了經(jīng)濟(jì)性和試驗全面性的要求。

5 結(jié)論與體會

以蕪湖長江公路二橋節(jié)段拼裝連續(xù)梁橋為依托開展了足尺模型試驗方案設(shè)計研究，通過本次試驗方案的設(shè)計，得出以下結(jié)論：

1) 采用“1+1/3”跨的試驗梁設(shè)計方法，可通過懸臂端的合理配置，較全面地檢驗連續(xù)梁的特性，既能實現(xiàn)試驗的完備性，同時也具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2) 采用工程實體樁基加強設(shè)計，并配置可拆除臨時擴(kuò)大立柱為模型試驗提供可靠的下部支撐，在極限承載能力試驗結(jié)束后工程樁基仍可繼續(xù)為實體工程所用。

3) 試驗加載通過主跨3點加載配合懸臂配載調(diào)整，能很好地模擬梁體在實際使用過程中的內(nèi)力狀態(tài)；通過預(yù)設(shè)地錨提供加載反力，以液壓千斤頂作為加載施加的控制系統(tǒng)，既能降低加載風(fēng)險，又能有效控制荷載精度。

4) 本文設(shè)計的試驗方案能夠系統(tǒng)檢驗全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁施工工藝的可靠性，校核設(shè)計模式和計算假定的合理性和準(zhǔn)確性，檢驗結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)的適用性和極限的安全性，滿足試驗?zāi)康牡囊蟆?/p>

5) 采用“1+1/3”跨結(jié)構(gòu)雖然能夠較好地檢驗各截面的極限承載能力，但這種試驗?zāi)Ｐ蜔o法完全準(zhǔn)確模擬在極限過程中截面剛度變化引起的內(nèi)力重分配規(guī)律，只能結(jié)合有限元計算結(jié)果調(diào)整加載力進(jìn)行模擬。

6) 研究結(jié)果指導(dǎo)了蕪湖長江公路二橋全體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝箱梁橋的足尺模型試驗的開展，也為同類試驗的設(shè)計提供了借鑒，通過調(diào)整懸臂端荷載模擬支點負(fù)彎矩的設(shè)計思路，可推廣應(yīng)用于其他連續(xù)梁試驗中。