■周秀麗

（福建省交通科研院有限公司， 福州 350005）

近年來(lái)， 一種以波形鋼板代替混凝土腹板，并采用體外預(yù)應(yīng)力的新型結(jié)構(gòu)——波形鋼腹板橋梁在國(guó)內(nèi)外得到迅速的發(fā)展，由于其自重更輕、施工周期更短、 不易變形失穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用、研究[1-2]。 與普通混凝土橋梁相比，波形鋼腹板橋梁自重減小了20%，其腹板為預(yù)制構(gòu)件，免去了混凝土模板拆除時(shí)間，施工周期相對(duì)更短。 相較于傳統(tǒng)的平腹板鋼混橋梁而言， 波形鋼板不抵抗縱向軸向力，剪切屈曲強(qiáng)度高，承擔(dān)了橋梁截面的大部分剪力，而橋梁截面彎矩則主要集中在混凝土頂、底板，避免了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板容易開裂的問(wèn)題[3]；同時(shí)，由于不存在高厚比限制問(wèn)題，使得波形鋼腹板橋梁更不易發(fā)生局部失穩(wěn)變形。 如今，波形鋼腹板橋梁結(jié)構(gòu)形式也囊括多種，如簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和斜拉橋等[4]。 同時(shí)，隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)運(yùn)輸設(shè)備日趨大型化、重型化，運(yùn)輸貨物的長(zhǎng)度、高度、重量記錄都在不斷刷新，因此有必要對(duì)大件運(yùn)輸條件下在役橋梁的承載能力進(jìn)行檢測(cè)，保證交通通行安全[5-6]。 橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)可以檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在指定荷載作用下關(guān)鍵截面的實(shí)際變形及應(yīng)力狀況，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能及承載能力是否還滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求， 為安全運(yùn)營(yíng)提供保障。 綜上所述，本文以某三跨波形鋼腹板連續(xù)梁橋?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行大件運(yùn)輸靜載試驗(yàn)，測(cè)試其控制截面的應(yīng)力（應(yīng)變）效應(yīng)和撓度變化，并結(jié)合理論數(shù)值計(jì)算結(jié)果，評(píng)定該橋的實(shí)際力學(xué)性能和承載能力是否滿足大件荷載及有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，為日后波形鋼腹板橋梁營(yíng)運(yùn)、 養(yǎng)護(hù)及管理提供科學(xué)依據(jù)[7]。

1 項(xiàng)目概況

以某三跨變截面連續(xù)梁橋?yàn)槔?該橋?yàn)樾苯粯?，斜交角度?2.6°，上部結(jié)構(gòu)為40+65+40 m 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋（圖1），箱梁結(jié)構(gòu)形式為單箱三室截面，箱梁腹板形式有三種，包括砼腹板、鋼－砼組合腹板和波形鋼腹板。 其中，砼腹板及鋼-砼組合腹板用于邊端橫梁和支點(diǎn)橫梁， 其余構(gòu)件的腹板均為波形鋼腹板，鋼板厚12～20 mm，其材料為Q345C 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；波形鋼腹板的波長(zhǎng)1.6 m，波高22 cm，水平面板寬43 cm，水平折疊角度為30.7°，彎折內(nèi)徑R 最小值為15d（d 為波形鋼腹板厚度）。 為了提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的橫向抗變形能力與抗扭剛度，減少底板預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徑向力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，保證箱梁橫向安全，分別在邊中跨和邊跨設(shè)置2 道、1 道橫隔板，橫隔板厚度為60 cm，同時(shí)橫隔板也兼做體外預(yù)應(yīng)力鋼束的轉(zhuǎn)向板。

圖1 全橋結(jié)構(gòu)示意圖

2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η[8]定義為：

式（1）中：ηQ為靜載試驗(yàn)效率系數(shù)；Rf、Rs分別為試驗(yàn)加載效應(yīng)、不計(jì)沖擊的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)值；μ 為沖擊系數(shù)。 針對(duì)舊橋荷載試驗(yàn)，常采用三軸載重車輛加載，其靜載試驗(yàn)效率宜介于0.95～1.05 之間。 對(duì)于大型特殊車輛荷載的加載，宜按實(shí)際輪位和軸重的模擬荷載或等效荷載進(jìn)行。模擬荷載或等效荷載的計(jì)算原則為內(nèi)力等效，荷載的輪位布置依據(jù)各斷面在最不利荷載作用下的靜力分析結(jié)果確定。故為保證波形鋼腹板連續(xù)梁橋大件運(yùn)輸靜載試驗(yàn)的研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面因素的影響。

2.1 試驗(yàn)橋跨選取原則

考慮到波形鋼腹板連續(xù)梁橋具有獨(dú)特的力學(xué)受力特點(diǎn)，應(yīng)選取具有代表性的或最不利的橋跨進(jìn)行承載能力檢測(cè)評(píng)定，并基于現(xiàn)場(chǎng)病害檢測(cè)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合大件車通過(guò)本橋最優(yōu)路線，采用橋梁專用有限元計(jì)算軟件MIDAS-Civil 建立試驗(yàn)橋跨的數(shù)值模型（圖2），再通過(guò)MIDAS-Civil 的有限元計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力并確定加載車重量及加載輪位，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)橋跨選取提供依據(jù)。 因此，本文選取左幅主跨和左側(cè)邊跨作為主要試驗(yàn)對(duì)象。

圖2 空間有限元模型

2.2 靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過(guò)考察和必要的結(jié)構(gòu)分析， 確定本橋靜載試驗(yàn)的測(cè)試斷面為S1—右幅主跨跨中截面（最大正彎矩處）、S2—支點(diǎn)附近截面（最大負(fù)彎矩及最大剪力處）、S3—左側(cè)邊跨跨中截面（最大正彎矩處）（圖3）。

圖3 靜載試驗(yàn)測(cè)試斷面布置

根據(jù)靜載試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目的需要，全橋總計(jì)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)56 個(gè)，撓度測(cè)點(diǎn)3 個(gè)，支座沉降測(cè)點(diǎn)4 個(gè)。 其中試驗(yàn)橋跨S1 斷面共設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)30 個(gè)，分別為S1-1#～S1-30#測(cè)點(diǎn)；S2 斷面共設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)13個(gè)，分別為S2-1#～S2-13# 測(cè)點(diǎn)；S2 斷面共設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)2 個(gè)， 分別為J-1#、J-2# 測(cè)點(diǎn)；S3 斷面共設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)13 個(gè)，分別為S3-1#～S3-13# 測(cè)點(diǎn)。 主要斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置方案，如圖4 所示。

圖4 主要斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)橋跨控制斷面撓度采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，其中主梁撓度測(cè)試斷面為S1、S3 斷面，在試驗(yàn)跨墩臺(tái)分別布置支座沉降測(cè)點(diǎn)。 全橋S1、S3 斷面共設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)10 個(gè)，控制截面撓度測(cè)點(diǎn)橫向布置如圖5所示。 在兩側(cè)墩臺(tái)布置支座沉降測(cè)點(diǎn)，全橋共計(jì)支座沉降測(cè)點(diǎn)4 個(gè)。

圖5 主要斷面撓度測(cè)點(diǎn)布置

2.3 試驗(yàn)加載車輛與工況

本橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A 級(jí)， 試驗(yàn)控制內(nèi)力以“千伏布拖換流站換流變運(yùn)輸車組主牽引車+承載車輛”作為驗(yàn)算荷載計(jì)算，基于等效荷載原則，根據(jù)實(shí)際過(guò)橋行走線路最不利荷載效應(yīng)，確定對(duì)應(yīng)的用車數(shù)量和對(duì)應(yīng)的輪位。 在保證測(cè)試截面試驗(yàn)荷載效率系數(shù)ηQ達(dá)到與大件運(yùn)輸車輛作用下截面最大彎矩的等效加載條件的情況下， 經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，本橋靜載試驗(yàn)計(jì)算采用15 輛三軸自卸車（單車重38 t）作為試驗(yàn)荷載。 且經(jīng)檢算，在計(jì)算等效試驗(yàn)荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

結(jié)構(gòu)靜力分析通過(guò)建立全橋空間模型計(jì)算各主要橋梁構(gòu)件的內(nèi)力及橋梁位移影響線，計(jì)算結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最不利活載效應(yīng)，并以該效應(yīng)對(duì)應(yīng)的活載分布作為靜力加載輪位。 荷載試驗(yàn)是驗(yàn)證橋梁正常使用狀態(tài)而采取的工作模式，根據(jù)橋梁特點(diǎn)和計(jì)算分析結(jié)果，綜合現(xiàn)場(chǎng)工作條件，部分工況可進(jìn)行合并，本橋荷載試驗(yàn)最終工況設(shè)置如下：工況1：S1斷面最大正彎矩、S2 斷面最大負(fù)彎矩加載；工況2：S2 斷面附近附近最大剪力加載； 工況3：S3 斷面最大正彎矩加載。

為保證試驗(yàn)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全，本次試驗(yàn)采用分4 級(jí)加載的方式，以此即時(shí)對(duì)比分析控制截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值， 從而判斷加載安全性。工況1 加載輪位示意圖，如圖6 所示。

圖6 工況1 加載輪位圖

根據(jù)建立有限元模型的理論分析計(jì)算結(jié)果，綜合上述原因及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際車輛軸重、軸距及輪位等參數(shù)，最終確定本橋荷載試驗(yàn)最終工況及相應(yīng)荷載效率（表1）。

表1 不同工況下試驗(yàn)橋跨試驗(yàn)荷載效率

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

以工況3 荷載作用下試驗(yàn)結(jié)果分析為例，S3測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算值如表2 所示，主要控制測(cè)點(diǎn)主梁下緣應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 工況3 作用下S3 斷面主梁下緣應(yīng)力分布

試驗(yàn)橋跨主梁在各試驗(yàn)工況考核下， 實(shí)測(cè)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)位于0.44～0.89 之間，均小于1.0。 卸載后，相對(duì)殘余應(yīng)變（應(yīng)力）為2.63%～18.18%，均小于20%，符合規(guī)程要求[8]，且各主要觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)力較小， 表明該橋在試驗(yàn)荷載作用下接近彈性工作狀態(tài)。

同樣，工況3 作用下靜載試驗(yàn)主梁撓度測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算值如表3 所示，主要控制測(cè)點(diǎn)撓度分布如圖8 所示。

圖8 工況3 作用下S3 截面撓度橫向分布曲線

試驗(yàn)橋跨主梁在各試驗(yàn)工況考核下，實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.95 之間，均小于1.0。 卸載后，相對(duì)殘余變形為2.56%～8.20%，均小于20%，符合規(guī)程要求[8]，且各主要觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形較小，說(shuō)明該橋在試驗(yàn)荷載作用下接近彈性工作狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某波形鋼腹板連續(xù)梁橋大件運(yùn)輸?shù)刃Ш奢d試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的分析， 試驗(yàn)橋跨能夠滿足“千伏布拖換流站換流變運(yùn)輸車組主牽引車+承載車輛”荷載通行使用要求。 針對(duì)波形鋼腹板連續(xù)梁橋的大件運(yùn)輸?shù)撵o載試驗(yàn)研究，還可得到如下試驗(yàn)結(jié)論：（1）試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和橫向分布規(guī)律表明，主梁的整體受力變形都處于正常工作狀態(tài)，試驗(yàn)近偏載作用下分布趨勢(shì)較理論計(jì)算情況偏緩，表明橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)的橫向抗扭剛度較理論分析結(jié)果更大；（2）試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)個(gè)別局部應(yīng)力突變，原因主要與加載局部效應(yīng)有關(guān)；（3）波形鋼腹板連續(xù)梁橋的橫向增大系數(shù)ξ 較小，橫向荷載分布較均勻，橫向整體剛度較強(qiáng)；（4）試驗(yàn)橋跨的支座沉降較小，卸載后恢復(fù)情況較好。