■馬 芳

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

荷載試驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)結(jié)構(gòu)病害受損范圍及程度，提供橋梁劣化程度信息，從而判斷劣化形成原因及其對(duì)橋梁構(gòu)件的影響程度。 根據(jù)靜載試驗(yàn)的結(jié)果，可對(duì)實(shí)際橋梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行定量判斷，直觀了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的承載力富裕度。 同時(shí)，靜載試驗(yàn)還能反映橋梁的實(shí)際與理論工作狀態(tài)的一致程度，驗(yàn)證理論計(jì)算的可靠性。 因此，本文以海西高速公路網(wǎng)泉廈漳城市聯(lián)盟路泉州段安海灣特大橋?yàn)槔?，通過Midas/Civil 有限元分析軟件，建立了全橋桿系結(jié)構(gòu)模型， 并根據(jù)分析結(jié)果制定了靜載試驗(yàn)方案，通過現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，對(duì)比理論結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，判別了橋梁的工作狀態(tài)。

1 橋梁概況

安海灣特大橋?yàn)椋?35+300+135）m 鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，中跨鋼箱梁吊裝段長(zhǎng)度為103 m，其余段為混凝土結(jié)構(gòu)。 橋梁全長(zhǎng)570 m， 單幅橋面寬16.25 m，橫斷面布置為0.5 m（護(hù)欄）+15.25 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）=16.25 m；下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙薄壁式實(shí)心墩，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)；上部結(jié)構(gòu)采用C55 海工耐久混凝土， 鋼箱梁部分采用Q235qD 鋼板，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用C50 海工混凝土；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-I 級(jí)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。

2 有限元分析模型

結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算采用Midas Civil 有限元程序，建立空間模型進(jìn)行分析計(jì)算， 全橋共建立299 個(gè)節(jié)點(diǎn)、284 個(gè)單元，計(jì)算模型如圖1 所示。 本橋橋面寬為16.25 m，采用單梁模型可滿足試驗(yàn)精度要求。 在鋼混結(jié)合段處理時(shí)按鋼結(jié)構(gòu)截面梁?jiǎn)卧M。 剛構(gòu)橋應(yīng)建立橋墩和承臺(tái)，承臺(tái)底部固結(jié)。 其余邊界條件按設(shè)計(jì)提供的邊界條件進(jìn)行布置。 對(duì)于鋼箱梁段，應(yīng)根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]相關(guān)條文考慮有效分布寬度的影響。

圖1 有限元分析模型

3 靜力荷載試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)工況

依據(jù)JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[1]及JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[2]進(jìn)行靜載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，內(nèi)容包括橋梁靜載應(yīng)變和橋梁靜載撓度。 結(jié)合橋梁的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)狀況， 選取左幅橋132#跨、133# 跨及133# 墩作為靜載試驗(yàn)研究對(duì)象，如圖2 所示。 其中，1-1 截面為邊跨最大正彎矩截面、3-3 截面為支點(diǎn)負(fù)彎矩截面、2-2 截面為中跨最大正彎矩截面。 在確定靜載試驗(yàn)加載工況時(shí)，應(yīng)符合以下原則：（1）滿足橋面板等構(gòu)件局部受力的前提下，用較少的加載車輛達(dá)到規(guī)范要求的荷載效率，但應(yīng)該滿足加載分級(jí)的要求；（2）充分利用有限元軟件的加載模塊，在滿足試驗(yàn)荷載效率以及能夠達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康那疤嵯卤M可能合并加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間；（3）每加載一工況的設(shè)置應(yīng)保證全橋其他構(gòu)件響應(yīng)均不超限。

圖2 靜力荷載試驗(yàn)工況

綜上所述，根據(jù)安海灣特大橋左幅主橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及理論計(jì)算的內(nèi)力包絡(luò)圖確定靜載試驗(yàn)工況如下：（1）工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)力和撓度；（2）工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的應(yīng)力和撓度；（3）工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)力和撓度；（4）工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的應(yīng)力和撓度；（5）工況五：左幅133# 墩支點(diǎn)負(fù)彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)力； 荷載試驗(yàn)工況采用最不利受力原則即偏心加載。 本次靜力荷載試驗(yàn)采用8 部34 t 和6 部28 t 共計(jì)14 部重型卡車進(jìn)行加載，荷載試驗(yàn)效率為0.87～0.99，滿足JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的0.85～1.05 要求。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置包括應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。通過應(yīng)變測(cè)試值與理論應(yīng)變值的比較，并綜合撓度測(cè)試結(jié)果與理論撓度結(jié)果分析，判斷橋梁截面剛度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求、是否滿足使用要求。 在各測(cè)試截面的橋面布置精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行荷載試驗(yàn)過程中撓度的觀測(cè)。 各工況的應(yīng)變、 撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 各工況應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)

3.3 加載流程

正式加載前，應(yīng)先采用一輛加載車在主梁的跨中進(jìn)行預(yù)加載，以觀察結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，保證試驗(yàn)安全。預(yù)加載持荷時(shí)間為20 min。預(yù)加載可減少非彈性變形對(duì)結(jié)果的影響，同時(shí)，使結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。 預(yù)加載完成后，應(yīng)卸載至零載并持續(xù)一段時(shí)間。正式加載應(yīng)在結(jié)構(gòu)充分零荷載恢復(fù)后進(jìn)行。

正式加載應(yīng)采用分級(jí)加載，每級(jí)加載的持續(xù)時(shí)間為5 min，并觀察儀器讀數(shù)是否相對(duì)穩(wěn)定。應(yīng)在結(jié)構(gòu)零荷恢復(fù)后，進(jìn)行讀數(shù)并進(jìn)入下級(jí)加載。 對(duì)于同一級(jí)荷載，可以結(jié)構(gòu)最后5 min 內(nèi)的位移增量作為相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)志，即最后5 min 的位移增量小于前一個(gè)5 min 增量的5%。亦可用最后5 min 的位移增量小于所用測(cè)量?jī)x器的最小分辨率值作為相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)志。 同時(shí)，應(yīng)觀測(cè)控制截面的應(yīng)變和位移響應(yīng)，若結(jié)構(gòu)響應(yīng)在最大試驗(yàn)荷載前提前達(dá)到或超過理論值，應(yīng)終止加載并分析原因。

4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 撓度數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)荷載作用下，理論及實(shí)測(cè)安海灣特大橋左幅主橋各撓度測(cè)試點(diǎn)撓度曲線分別見圖4～7。其中，測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#、4#、5#的位置，詳見圖3。 根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果， 卸載后的相對(duì)殘余撓度絕對(duì)值在0～17.6%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

圖4 工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的撓度曲線

4.2 梁底應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

在荷載作用下，理論及實(shí)測(cè)安海灣特大橋左幅主橋各測(cè)試截面梁底各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)鐖D8～12 所示。 同時(shí)，卸載后的相對(duì)殘余應(yīng)變絕對(duì)值在0.8%～17.7%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

圖5 工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的撓度曲線

圖6 工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的撓度曲線

圖7 工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的撓度曲線

圖8 工況一：左幅132# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)變曲線

圖9 工況二：左幅132# 跨最大正彎矩中載作用下的應(yīng)變曲線

圖10 工況三：左幅133# 跨最大正彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)變曲線

圖11 工況四：左幅133# 跨最大正彎矩中載作用下的應(yīng)變曲線

圖12 工況五：左幅133#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩左側(cè)偏載作用下的應(yīng)變曲線

4.3 腹板應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)荷載作用下，相應(yīng)工況荷載作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值沿截面高度變化規(guī)律如圖13 所示，由此可知，實(shí)測(cè)邊跨各荷載工況作用下截面中性軸位置（較理論值）略偏上。

圖13 邊跨測(cè)點(diǎn)應(yīng)變沿截面高度的變化規(guī)律

4.4 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)論

通過安海灣特大橋現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：（1）荷載卸零后各撓度測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形絕對(duì)值位于0～17.6%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定， 說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)；（2）荷載滿載，荷載效率滿足規(guī)范要求，各撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度值小于理論計(jì)算值，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中的要求；（3）荷載卸零后各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變絕對(duì)值在0.8%～17.7%之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中小于20%的規(guī)定，說明橋梁構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)；（4）荷載滿載，荷載效率滿足規(guī)范要求，各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值小于理論計(jì)算值，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中的要求。（5）由應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均小于理論數(shù)據(jù)，且有較大的富余，說明由于實(shí)際鋼筋混凝土材料兩種材料共同受力的復(fù)雜性，使得截面的實(shí)際剛度大于理論剛度，橋跨結(jié)構(gòu)總體剛度滿足設(shè)計(jì)要求；（6）實(shí)測(cè)邊跨各荷載工況作用下截面中性軸位置（較理論值）略偏上，是由于橋面鋪裝、二期等引起；（7）由撓度曲線可見，同一截面各測(cè)點(diǎn)撓度有偏差，是由于截面扭轉(zhuǎn)引起。但相較于16 m 橋?qū)挾?，左右兩?cè)測(cè)點(diǎn)位移偏差較?。▋H毫米級(jí)），可見，對(duì)于橋?qū)捿^窄的橋梁，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并不顯著，采用單梁模型建模即可滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)與建議

鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋由于主跨采用大節(jié)段鋼箱梁，大幅度減輕了橋梁自重，增加了主跨跨徑長(zhǎng)度，但是橋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，鋼混結(jié)合段的施工質(zhì)量對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、 剛度變得尤為重要；對(duì)于該種結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)定期進(jìn)行荷載試驗(yàn)，了解橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)。 在常規(guī)的荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，鋼混混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋鋼混結(jié)合段只需按照正常的梁?jiǎn)卧ツM即可，如果要計(jì)算混合段細(xì)部應(yīng)力結(jié)果建議采用Midas FEA 進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析。