侯淞譯, 王錁
(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢 430056;2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢 430010)
橋梁靜力荷載試驗(yàn)作為一種科學(xué)試驗(yàn),是將荷載直接施加到橋梁結(jié)構(gòu)上,進(jìn)而得到橋梁在實(shí)際工作中的受力情況,由此可以對(duì)測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)在使用階段的承載能力及運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。通過(guò)對(duì)一些新建橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn),可以檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[2-4]。
文中主要對(duì)某下承式鋼桁架拱橋的靜力荷載試驗(yàn)進(jìn)行分析,由于橋作為一種特殊式橋梁結(jié)構(gòu)-下承式鋼架拱橋,在設(shè)計(jì)與施工時(shí)都具有一定的技術(shù)難度和復(fù)雜程度,所以對(duì)橋進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段的靜力荷載試驗(yàn)不僅是對(duì)橋安全性的一種檢驗(yàn),更可以對(duì)未來(lái)相似橋型的設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值。
文中研究對(duì)象為某(22+106+22)m下承式鋼桁架拱橋。該橋上弦桿的拱軸線采用圓弧線與二次拋物線,下弦桿的拱軸線采用二次拋物線,下拱肋矢高19.27m,矢跨比1/5.5,拱頂桁架高度為3.5m,橋面寬38m,雙向六車道。順橋向方向,橋?yàn)檎w無(wú)推力拱橋,為達(dá)到該體系,橋梁在一側(cè)拱橋位置處設(shè)置固定支座,另一次采用滑動(dòng)支座。主梁為主縱梁、鋼橫梁、次縱梁共同受力的結(jié)構(gòu),橋面系為正交異形板。主橫梁的斷面形式為工字型斷面,吊桿采用平行鋼絲吊桿。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ),墩柱與樁基通過(guò)承臺(tái)連接橋立面布置圖如圖1所示。
圖1 拱橋測(cè)試斷面
橋梁靜力試驗(yàn)是根據(jù)理論模型,找出設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)的最不利截面,在特定位置施加靜載,模擬橋梁運(yùn)行的最不利情況,并測(cè)量相應(yīng)的變形、應(yīng)力、索力增量等參數(shù)[5]。由于鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,拱肋承受較大的壓應(yīng)力,通過(guò)荷載試驗(yàn),可以清楚地了解鋼桁架拱橋在設(shè)計(jì)荷載作用下主要受力結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài),進(jìn)而判斷鋼桁拱橋的使用性能和承載力,同時(shí)為橋梁的運(yùn)營(yíng)管理提供參考[6-8]。
通過(guò)對(duì)橋成橋狀態(tài)下的內(nèi)力與荷載分析,主梁跨中截面與拱肋L/2截面、L/4截面為最不利截面,結(jié)合規(guī)范對(duì)拱橋加載測(cè)試項(xiàng)目規(guī)定,根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,設(shè)置3個(gè)測(cè)試截面,分別為:A-A截面(拱頂截面)、B-B截面(L/4截面)和C-C截面(墩頂截面),測(cè)試截面布置如圖所示[9,10]。
對(duì)鋼桁架拱橋主要的測(cè)試內(nèi)容有:①A-A斷面對(duì)稱布置,使主梁跨中正彎矩最大;②A-A斷面偏心布置,使主梁跨中正彎矩最大;③B-B斷面對(duì)稱布置,使主梁L/4處正彎矩最大;④C-C斷面對(duì)稱布置,使得主梁負(fù)彎矩最大。
試驗(yàn)控制荷載應(yīng)選擇設(shè)計(jì)的最不利活荷載控制值。靜力試驗(yàn)效率系數(shù)是結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的各主要控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力(應(yīng)變)或撓度實(shí)測(cè)值與相應(yīng)的理論計(jì)算值之比,即:
式中,μ為沖擊系數(shù)。
橋活載設(shè)計(jì)值采用城-A級(jí)荷載,所得主橋主要測(cè)試工況、靜力試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目及各控制截面的試驗(yàn)內(nèi)容見圖2~圖4。
圖2 各工況下測(cè)點(diǎn)最大彎矩荷載效率
圖3 各工況下測(cè)點(diǎn)撓度荷載效率
圖4 各工況下測(cè)點(diǎn)軸力荷載效率
橋梁的靜力試驗(yàn)效率不宜小于0.95,因橋?qū)儆阡撹旒芄皹?,結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,采用加載車集中加載方式的情況下各工況無(wú)法同時(shí)滿足荷載效率,故其中部分工況荷載效率低于0.95。
為保證靜力試驗(yàn)結(jié)果的有效性及可靠性,靜力試驗(yàn)最多選用了14輛300kN的三軸載重汽車。靜力試驗(yàn)車輛荷載布置分為中載和偏載兩種,靜力試驗(yàn)荷載加載過(guò)程采用逐漸增加車輛的方式進(jìn)行分級(jí)加載,共分三級(jí)加載。加載車輛在橋面的布置與分級(jí)加載順序如圖5~圖7和表1所示。
圖5 工況1加載布置(單位:m)
圖6 工況2加載布置(單位:m)
圖7 工況3加載布置(單位:m)
表1 分級(jí)加載順序表
為了直觀驗(yàn)證橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的工作狀態(tài),利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比是較為合理有效的。撓度測(cè)點(diǎn)布置在試驗(yàn)跨最不利截面處,在橋梁中心線與上下游各布置至少一個(gè)測(cè)點(diǎn),應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在主梁、橫梁底部與拱肋處,選取上弦桿拱頂、L/4拱截面與下弦桿拱腳進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置如圖8、圖9所示。
圖8 主梁及拱肋測(cè)點(diǎn)示意圖
圖9 主梁及橫梁測(cè)點(diǎn)示意
橋靜力試驗(yàn)各工況下結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)值與計(jì)算理論值如圖10~圖12所示。根據(jù)圖10~圖12可知,橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比系數(shù)ζ介于0.76~0.96之間。工況1主梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為17.4MPa,理論增加值為19.2MPa;橫梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為34.5MPa,理論增加值為45.3MPa;拱頂最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為13.8MPa,理論增加值為15.8MPa。工況2主梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為15.4MPa,理論增加值為17.1MPa;橫梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為32.9MPa,理論增加值為36.3MPa;拱頂最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為11.9MPa,理論增加值為13.8MPa。工況3主梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為15.3MPa,理論增加值為17.4MPa;主梁負(fù)彎矩最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為19.2MPa,理論增加值為19.9MPa;橫梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為37.4MPa,理論增加值為42.4MPa;拱腳最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為14.6MPa,理論增加值為16.1MPa。分級(jí)加載時(shí)各應(yīng)力增加值均未超過(guò)理論值,且各應(yīng)力變化趨勢(shì)實(shí)測(cè)值與理論值都較為相符,全橋結(jié)構(gòu)受力性能較好,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化實(shí)測(cè)值與理論值趨勢(shì)較為吻合,說(shuō)明橋梁實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。
圖10 工況1應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
圖11 工況2應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
圖12 工況3應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
根據(jù)靜力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算分析值比較,作出結(jié)構(gòu)變形比較柱狀圖。橋梁靜力試驗(yàn)各個(gè)工況應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見圖13~圖15。
圖13 工況1撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
圖14 工況2撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
圖15 工況3撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比
根據(jù)圖13~圖15可知,橋跨結(jié)構(gòu)撓度對(duì)比系數(shù)ζ介于0.77~0.92之間。工況1橫梁最大實(shí)測(cè)撓度增加值為22.6mm,理論增加值為25.0mm;拱肋最大實(shí)測(cè)撓度增加值為8.3mm,理論增加值為9.2mm。工況2橫梁最大實(shí)測(cè)撓度增加值為16.6mm,理論增加值為19.0mm;拱肋最大實(shí)測(cè)撓度增加值為6.5mm,理論增加值為8.2mm。工況3橫梁最大實(shí)測(cè)應(yīng)力增加值為17.3mm,理論增加值為20.9mm;拱肋最大實(shí)測(cè)撓度增加值為6.1mm,理論增加值為7.2mm。分級(jí)加載時(shí)各撓度增加值均未超過(guò)理論值,且各撓度變化趨勢(shì)實(shí)測(cè)值與理論值都較為相符,橋跨結(jié)構(gòu)的剛度較好。各測(cè)點(diǎn)撓度變化實(shí)測(cè)值與理論值趨勢(shì)較為吻合,說(shuō)明橋梁實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。
據(jù)靜力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算分析值比較,作出吊桿索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值比較表格,是衡量橋梁實(shí)際剛度的重要數(shù)據(jù)。橋靜力試驗(yàn)各個(gè)工況吊桿索力測(cè)試結(jié)果及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)見表2~表4。
表2 吊桿索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比 kN
表3 吊桿索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比kN
表4 吊桿索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比kN
根據(jù)表2~表4可知,橋跨吊桿索力對(duì)比系數(shù)ζ介于0.82~0.94之間。工況1吊桿索力最大值出現(xiàn)在跨中的D8吊桿,索力最大實(shí)測(cè)增加值為210.2kN,理論增加值為226.7kN;工況2吊桿索力最大值出現(xiàn)在跨中的D8吊桿,索力最大實(shí)測(cè)增加值為184.2kN,理論增加值為199.9kN;工況3吊桿索力最大值出現(xiàn)在1/4跨徑附近的D2吊桿,索力最大實(shí)測(cè)增加值為220.6kN,理論增加值為255.3kN;分級(jí)加載時(shí)各應(yīng)力增加值均未超過(guò)理論值,且各應(yīng)力變化趨勢(shì)實(shí)測(cè)值與理論值都較為相符,說(shuō)明吊桿實(shí)際受力情況與計(jì)算理論中受力情況相同。
橋在靜力試驗(yàn)荷載作用下,各工況控制截面的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算理論值對(duì)比系數(shù)ζ介于0.76~0.96之間,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果接近;撓度對(duì)比系數(shù)ζ介于0.77~0.92之間,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度符合要求;索力對(duì)比系數(shù)ζ介于0.82~0.94之間,說(shuō)明吊桿的受力狀態(tài)比較理想。根據(jù)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,實(shí)測(cè)值與理論值變化趨勢(shì)較為吻合,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果接近,該橋整體受力較好,結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)、承載能力及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了下承式鋼桁架拱橋在實(shí)際建設(shè)工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。