曾 勇，余 浩，余 滔，肖光烈，李 強(qiáng)，董志龍

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心，重慶 400074；3.重慶市永川區(qū)公路服務(wù)中心，重慶 402160；4.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400084；5.中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400)

公路橋梁是跨越溝谷的重要方式之一，目前我國(guó)公路建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，橋梁工程已是發(fā)展的重點(diǎn)[1-2]。隨著橋梁數(shù)量逐漸增多，各種橋梁結(jié)構(gòu)類型得到廣泛應(yīng)用[3]。鋼混組合梁橋極大地利用了鋼和砼的性能優(yōu)勢(shì)，并且結(jié)構(gòu)自重輕，施工性能好，被普遍應(yīng)用于山區(qū)溝谷當(dāng)中[4-6]。為保證橋梁承載能力，提高橋梁建設(shè)質(zhì)量[7]，荷載試驗(yàn)因其能夠準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)橋梁所處狀態(tài)從而得到廣泛的應(yīng)用[8]。尹波[9]采用荷載試驗(yàn)方法分析斜拉橋的整體剛度和強(qiáng)度，綜合評(píng)價(jià)了結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。張偉[10]對(duì)鋼混組合橋開展了荷載試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證了橋梁工作狀態(tài)。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類橋型的荷載試驗(yàn)研究還處于探索階段，因此，對(duì)鋼混組合橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)分析對(duì)同類型工程具有一定的參考意義。

以某中跨鋼混組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行靜載試驗(yàn)。將實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元軟件理論計(jì)算值相結(jié)合，對(duì)比分析偏載工況下該橋鋼主梁及混凝土橋面板的測(cè)試截面應(yīng)力(應(yīng)變)、撓度及裂縫[11]，以評(píng)價(jià)該橋在荷載作用下的承載能力狀態(tài)，驗(yàn)證橋跨結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 工程概況

某橋?yàn)槿玟摶旖M合連續(xù)剛構(gòu)橋，位于西南山區(qū)，其跨徑為24 m+32 m+24 m，橋梁全寬為8.9 m，橋面橫坡為雙向2%。橫斷面布置為：3 m(電瓶車道)+3 m(自行車道)+2 m(人行道)+2×0.45 m(欄桿)；兩側(cè)橋臺(tái)為柱式臺(tái)，橋墩為柱式墩，其中P1墩和P2墩與主梁固結(jié)，A0和A3柱式橋臺(tái)頂設(shè)活動(dòng)支座；該橋設(shè)計(jì)汽車荷載為公路—II級(jí)。連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置，如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置

2 靜載試驗(yàn)

2.1 靜力測(cè)試方法

(1)撓度測(cè)試：經(jīng)綜合因素分析，本橋選取了10個(gè)撓度測(cè)試截面，全橋采用分辨率為±0.01 mm精密水準(zhǔn)儀測(cè)定撓度值。

(2)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)試：測(cè)試截面應(yīng)力由材料的彈性模量理論值以及實(shí)測(cè)應(yīng)變換算而得。該橋選取了3個(gè)應(yīng)力測(cè)試截面，應(yīng)變采集儀器使用多功能應(yīng)變儀和分辨率為±1×10-6的多功能數(shù)據(jù)采集器。

(3)裂縫測(cè)試：采用肉眼觀測(cè)各測(cè)試截面區(qū)域裂縫位置，并使用分辨率為±0.02 mm的裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)定縫寬。

2.2 設(shè)計(jì)控制荷載

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)資料，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS/Civil 2019建立該鋼混組合橋空間計(jì)算模型[12]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型施加最不利荷載，并考慮沖擊影響，提取出每個(gè)測(cè)試截面的撓度和應(yīng)力值，為后續(xù)試驗(yàn)加載提供理論內(nèi)力依據(jù)[13-14]。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

(1)靜力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避開局部加強(qiáng)位置，應(yīng)力測(cè)試截面位置分別選取三個(gè)：J1測(cè)試截面(主橋P1墩～P2墩中點(diǎn)位置)，J2測(cè)試截面(主橋P1墩中線偏P2墩1 m)及J3測(cè)試截面(A0臺(tái)～P1墩)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均設(shè)置在鋼主梁和混凝土橋面板測(cè)試截面底部，共設(shè)計(jì)73個(gè)。應(yīng)力測(cè)試截面立面布置見圖3，各截面靜應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖4、圖5。

圖3 應(yīng)力測(cè)試截面立面布置圖

圖4 J2截面靜應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

注：圖4～圖5中，“”標(biāo)記為主梁下表面靜應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，沿順橋向布置；“L”標(biāo)記處布置縱橋向及垂直于縱橋向的應(yīng)變片，“ ”標(biāo)記處布置平面應(yīng)變花。

(2)靜力撓度測(cè)點(diǎn)

綜合分析通視條件、橋梁縱坡與測(cè)點(diǎn)安裝方便性等因素，選取該橋中10個(gè)有代表性(最不利截面)的位置布置撓度測(cè)試截面，各截面設(shè)置2個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，分別布置在橋梁上、下游兩側(cè)。該橋靜載試驗(yàn)撓度測(cè)試截面立面布置見圖6，截面測(cè)點(diǎn)平面布置見圖7。

圖6 撓度測(cè)點(diǎn)截面立面布置(單位：cm)

注：“”標(biāo)記為水準(zhǔn)撓度測(cè)試截面。

2.4 試驗(yàn)荷載及荷載布置

2.4.1 試驗(yàn)荷載

本次試驗(yàn)加載車輛的規(guī)格、數(shù)量及重量由各工況的荷載效率確定，試驗(yàn)車輛示意圖見圖8，基本信息為a=3.85 m，b=1.35 m，輪距1.80 m[15]。

圖8 試驗(yàn)車輛示意圖

2.4.2 荷載布置

本橋靜力試驗(yàn)各加載工況荷載布置見圖9～圖11，圖中橋跨縱向長(zhǎng)度尺寸單位為cm。

圖9 J1截面最大正彎矩左側(cè)偏載、J2截面最大負(fù)彎矩左側(cè)偏載車輛布置示意(工況1)

圖10 J3截面最大正彎矩左側(cè)偏載車輛布置示意圖(工況2)

圖11 J1截面最大正彎矩右側(cè)偏載、J2截面最大負(fù)彎矩右側(cè)偏載車輛布置示意(工況3)

2.5 試驗(yàn)工況荷載效率

各工況荷載效率系數(shù)見表1。各荷載工況下主橋的試驗(yàn)截面不同偏載下的荷載效率系數(shù)為0.86～0.93，處于試驗(yàn)方法規(guī)定的范圍之中。

表1 各工況荷載效率系數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 撓度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的靜載試驗(yàn)方案對(duì)該橋進(jìn)行加載，三個(gè)工況的最不利布載的現(xiàn)場(chǎng)撓度實(shí)測(cè)值與有限元分析軟件理論計(jì)算值按橋梁上下游分別進(jìn)行比較。各工況上下游兩側(cè)撓度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見圖12～圖17。

圖12 工況1上游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

圖13 工況1下游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

圖14 工況2上游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

圖15 工況2下游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

圖16 工況3上游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

圖17 工況3下游側(cè)計(jì)算撓曲線與實(shí)測(cè)撓曲線對(duì)比

3.2 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

為了便于直觀地比較分析鋼主梁和橋面板應(yīng)力的變化規(guī)律，最不利布載下的各測(cè)試截面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值按各荷載工況分別進(jìn)行比較，限于篇幅，只研究工況1和工況2的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)(工況1與工況3變化趨勢(shì)一致，且工況1截面更具代表性)。J1、J2及J3截面的應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果見圖18～圖23。

圖18 工況1 J1截面鋼主梁應(yīng)變值對(duì)比

圖19 工況1 J1截面混凝土橋面板應(yīng)變值對(duì)比

圖20 工況1 J2截面鋼主梁應(yīng)變值對(duì)比

圖21 工況1 J2截面混凝土橋面板應(yīng)變值對(duì)比

圖22 工況2 J3截面鋼主梁應(yīng)變值對(duì)比

圖23 工況2 J3截面混凝土橋面板應(yīng)變值對(duì)比

3.3 裂縫檢測(cè)結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用前后，對(duì)鋼主梁和橋面板測(cè)點(diǎn)位置及附近區(qū)域進(jìn)行逐一觀測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。

3.4 結(jié)構(gòu)剛度評(píng)定

通過(guò)對(duì)荷載作用下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與有限元理論值的對(duì)比分析來(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)剛度的可靠性，為有效地分析比較，主要撓度檢測(cè)結(jié)果見表2。

分析表2可知：試驗(yàn)加載下，3個(gè)加載工況的測(cè)試截面最大實(shí)測(cè)撓度均小于有限元分析理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)總體分布在0.76～0.94，處于正常范圍之內(nèi)。橋跨的最大實(shí)測(cè)撓度增量為10.01 mm，僅為跨徑的1/3 397。加載工況卸載后，測(cè)試截面的實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形最大為16.3%，符合設(shè)計(jì)規(guī)定。對(duì)圖12～圖17所示的實(shí)測(cè)撓曲線與理論計(jì)算撓曲線對(duì)比圖進(jìn)行綜合分析，實(shí)測(cè)撓曲線變化規(guī)律與理論計(jì)算撓曲線變化規(guī)律有較好的一致性，且實(shí)測(cè)撓曲線基本位于理論撓曲線下方，表明結(jié)構(gòu)的變形處于合理范圍。

3.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定

通過(guò)對(duì)各工況的J1、J2及J3測(cè)試截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元理論值的對(duì)比分析來(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性。為有效地分析比較，相應(yīng)測(cè)試截面檢測(cè)結(jié)果匯總見表3(限于篇幅，只列出工況1和工況2)。

從表3的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、相關(guān)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)以及圖18～圖23測(cè)試截面實(shí)測(cè)應(yīng)變分布可知：鋼主梁的最大實(shí)測(cè)應(yīng)力相較于有限元分析理論應(yīng)力為0.6～0.8，處于合理范圍；混凝土橋面板的最大實(shí)測(cè)應(yīng)力相比于理論計(jì)算應(yīng)力為0.47～0.77，在正常范圍之內(nèi)。根據(jù)圖18～圖23所示的截面應(yīng)變值對(duì)比結(jié)果曲線規(guī)律來(lái)看，鋼主梁和橋面板各測(cè)試截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)變化曲線與有限元分析理論計(jì)算變化曲線的走勢(shì)規(guī)律基本符合，并且實(shí)測(cè)曲線普遍處于理論曲線范圍內(nèi)，表明該橋?qū)嶋H應(yīng)力變化與理論分析一致，處于彈性工作狀態(tài)。

3.6 結(jié)構(gòu)抗裂性評(píng)定

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋跨結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：鋼主梁和橋面板由剪切連接件形成整體，鋼梁和混凝土共同承擔(dān)橋面板受拉作用，鋼梁抗拉性能好，極大地抑制了混凝土橋面板受拉開裂，故在靜載作用下，結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生裂縫，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)控制荷載要求。

4 結(jié)論

(1)對(duì)橋梁進(jìn)行了工況荷載效率為0.86～0.93的靜載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)并未發(fā)生任何異常狀況。

(2)該橋各工況的測(cè)試截面最大實(shí)測(cè)撓度均小于有限元分析理論值，撓度校驗(yàn)系數(shù)總體分布(0.76～0.94)在正常范圍之內(nèi)。實(shí)測(cè)撓曲線與理論計(jì)算撓曲線一致性較好，表明橋跨結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)良好，故結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

(3)該橋跨結(jié)構(gòu)測(cè)試截面實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于有限元分析理論應(yīng)力，鋼主梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分布為0.60～1.00，橋面板應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)分布為0.50～0.80，均處于正常范圍之內(nèi)，且橋梁實(shí)際應(yīng)力變化規(guī)律與理論分析相符，表明在各工況荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，故鋼主梁和橋面板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(4)試驗(yàn)前后，鋼主梁和混凝土橋面板測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域均未產(chǎn)生明顯裂縫，故該橋跨結(jié)構(gòu)抗裂性能滿足設(shè)計(jì)要求。