胡 濤

(湖南致力工程科技有限公司， 湖南 長沙 410205)

0 引言

近年來，由于交通流量驟增，部分老橋的工作性能已不能滿足運營需求，再加上不合理使用(如超載等)和橋梁結(jié)構(gòu)自身缺陷的影響，進一步降低了橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能。因此有必要使用先進、便捷、有效的方法對橋梁結(jié)構(gòu)展開合理的試驗檢測[1]。

鋼管混凝土拱橋在我國已廣泛應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者對其做了很多荷載試驗研究，如付文勝等[2]基于荷載試驗得出主拱肋的主要病害是由于鋼管混凝土脫黏而使混凝土局部受力截面削弱，歐耀文等[3]對某大跨度鋼管混凝土拱橋進行了荷載試驗，得出其剛度不滿足設(shè)計要求并提出了檢修加固方案，李勇等[4]利用鋼管混凝土縮尺模型試驗得到了與實橋荷載試驗相近的結(jié)果，為檢測橋梁的受力性能提供了新思路。

橋梁荷載試驗是橋梁承載力評價中最有效、最直接和最有說服力的方法[5]，是判定橋梁承載力性能時所不可忽略的重要步驟之一[6]。通過試驗將獲得的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的理論計算數(shù)據(jù)進行比較，所得試驗結(jié)果作為評測橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力和后續(xù)養(yǎng)護、管理的依據(jù)。本文以猛洞河特大橋為工程背景，靜載試驗為手段，對此橋承載能力進行評定。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

猛洞河特大橋是永吉高速的一個控制性工程，大橋在永順縣境內(nèi)跨越酉水支流、國家級分景區(qū)——猛洞河。橋跨布置為：從橋頭至橋尾方向依次為3跨(每跨30 m)的變截面T形連續(xù)梁+268 m上承式鋼管混凝土拱橋+6跨(每跨30 m)的變截面T形連續(xù)梁，T形梁的支承方式為簡支，橋梁全長563.08 m，采用分離式橋面，其中在K11+484～K11+834.872(包含主橋)范圍內(nèi)為整體式橋面，橋面全寬24.5 m。橋面縱坡為-0.5%；橫橋向設(shè)2%橫坡，不設(shè)超高。

橋的主跨結(jié)構(gòu)為上承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為268 m，計算矢高為70.526 3 m，矢跨比為1/ 3.8，2個鋼管混凝土拱肋和數(shù)個橫撐組成主拱，通過焊接和螺栓連接。拱圈為桁架結(jié)構(gòu)，拱上立柱使用鋼管混凝土格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，拱上行車道結(jié)構(gòu)采用20 m連續(xù)簡支T梁。引橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m簡支變截面連續(xù)T梁。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件Midas Civil建立試驗橋跨的有限元模型。上承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。模擬設(shè)計荷載的方式為施加集中荷載，經(jīng)活載影響線分析，確定橋梁控制截面最大內(nèi)力時的布載工況，為試驗加載提供理論依據(jù)[7]。

圖1 橋梁有限元模型

2 靜載試驗評定標(biāo)準(zhǔn)及試驗方法

2.1 靜載試驗評定標(biāo)準(zhǔn)

1)結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)：結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η是橋梁荷載試驗所得數(shù)據(jù)(應(yīng)力、撓度)與理論計算值(應(yīng)力、撓度)之比[7]。若結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η<1，則表明橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和工作狀態(tài)良好。η的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Se為實測彈性應(yīng)變(變形);Sc為理論計算彈性應(yīng)變(變形)。

2)相對殘余應(yīng)變：相對殘余應(yīng)變ΔS是實測的殘余應(yīng)變或位移與理論計算的殘余應(yīng)變或位移之比×100%，相對殘余應(yīng)變ΔS反映橋梁結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，ΔS越小，表明該能力越強。規(guī)范要求ΔS<20%。ΔS的計算式如式(2)所示。

(2)

式中：Sp為實測殘余應(yīng)變(變形);St為理論計算應(yīng)變(變形)。

2.2 靜載試驗方案與內(nèi)容

根據(jù)軟件計算結(jié)果，在對應(yīng)截面的最不利位置布載，并且靜載試驗效率滿足規(guī)范0.95～1.05要求[8]，具體工況見表1。靜載試驗要求試驗荷載應(yīng)控制截面產(chǎn)生與設(shè)計荷載等效的內(nèi)力，根據(jù)試驗構(gòu)件截面“等效內(nèi)力”的原則和橋梁控制截面的最大彎矩值，同時考慮靜載試驗的荷載效率和載重車軸距等因素確定試驗加載車輛的位置與總數(shù)[6，9]。經(jīng)計算分析，此次靜載試驗(中載、偏載)需要12 vch載重車，每車荷載為350 kN。試驗載重車輛具體信息如圖2所示、車輛橫橋向位置布置如圖3所示。

表1 靜載試驗項目及荷載效率工況試驗工況內(nèi)容ηq1拱頂截面最大正彎矩中載0.952拱頂截面最大正彎矩偏載1.0331/4L截面最大正彎矩中載0.9941/4L截面最大正彎矩偏載1.0051#拱腳截面最大負(fù)彎矩中載1.0161#拱腳截面最大負(fù)彎矩偏載1.00

圖2 試驗載重車輛信息

圖3 車輪橫向位置布置(單位： m)

2.3 測點布置

結(jié)合猛洞河特大橋試驗橋跨的結(jié)構(gòu)受力特點，本次試驗共確定3個控制截面、48個應(yīng)變測點和10個撓度測點。其中，應(yīng)變測點布置在拱肋處，每個截面16個應(yīng)變測點，分左右兩側(cè)，左側(cè)編號依次為L1～L8、右側(cè)編號依次為R1～R8。應(yīng)變片采用“T”字形布置，連接方式為半橋連接。10個撓度測點分別布置在該橋跨的支座截面、L / 4截面和L / 2截面[10]。測點布置如圖4所示。采用JM3812靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)測取各工況下測點的應(yīng)變，TS30徠卡全站儀測取各工況下橋梁結(jié)構(gòu)的變形。

圖4 測點布置圖(單位： m)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變測試結(jié)果及分析

為了直觀地反映橋梁在各工況荷載作用下的工作性能，將試驗所測的應(yīng)變數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)整合到一起，如圖5所示，圖中應(yīng)變以受拉為正，受壓為負(fù)。

由圖5可知：在所有工況試驗荷載下，試驗截面的應(yīng)變增量值較合理，理論計算值大于實測應(yīng)變值，其中最大實測應(yīng)變出現(xiàn)在工況5，其實測應(yīng)變?yōu)?0，對應(yīng)的理論計算應(yīng)變?yōu)?9。由式(1)計算出結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η為0.50～0.91，表明橋梁結(jié)構(gòu)強度有一定的富余量[11]，能夠滿足實際運營需求。

圖5 拱橋跨各截面應(yīng)變結(jié)果

在彈性應(yīng)變的基礎(chǔ)上，檢測拱橋的殘余應(yīng)變，并計算出各測點的相對殘余應(yīng)變進行分析，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在工況1～6試驗荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)無較大不可恢復(fù)應(yīng)變，部分應(yīng)變測點無相對殘余應(yīng)變，測試截面受力狀態(tài)良好，最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?1.8%，不超過20%，滿足規(guī)范要求。

表2 相對殘余應(yīng)變計算結(jié)果%測點工況123456L10.0 6.74.94.37.710.5L24.0 4.38.48.30.09.1L33.8 0.03.65.610.35.7L42.8 5.49.48.38.67.1L50.0 7.13.99.72.53.8L62.3 8.54.09.50.010.3L73.8 5.36.15.39.19.1L80.0 0.011.89.48.67.4

3.2 撓度測試結(jié)果及分析

通過徠卡全站儀所測得橋梁在各工況荷載作用下的撓度數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的理論計算數(shù)據(jù)如圖6所示，圖中撓度以向上為正，向下為負(fù)。

從圖6可以看出：在試驗荷載作用下，拱橋跨撓度實測值均比計算值小，其撓度增量處于正常范圍。其中，最大撓度變形出現(xiàn)在工況3，其彈性撓度變形實測值(-36 mm)小于相應(yīng)的理論計算值(-44 mm)。由式(1)計算出結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η處于0.49～0.81，表明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度有一定的富余量，在試驗荷載作用下的工作狀態(tài)理想，能夠滿足正常使用要求[12]。

圖6 拱橋跨各截面撓度結(jié)果

在各工況試驗荷載作用下，檢測該橋跨的殘余撓度，并將計算出的各測點相對殘余撓度進行分析，結(jié)果見表3。

表3 相對殘余應(yīng)變計算結(jié)果%測點工況123456L13.73.45.83.15.97.6L210.56.14.39.63.91.9L34.64.09.18.96.710L410.76.73.84.44.54.1L53.34.36.52.48.53.1R16.42.95.19.87.38.2R26.310.38.58.52.39R34.610.18.87.26.39.3R44.314.36.46.77.14.2R53.25.95.77.19.72.5

從表3可以看出：在所有工況下，各截面測點的相對殘余撓度，其最大值為14.3%，均小于規(guī)范[13]規(guī)定值(20%)，故橋梁結(jié)構(gòu)的剛度性能較好，在荷載作用下不會發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形，滿足運營要求[14]。

4 結(jié)語

猛洞河特大橋荷載試驗結(jié)果及分析表明：

1) 該橋梁在主梁最大應(yīng)力工況、最大撓度工況下，其加載效率分別為1.01和0.99,滿足相關(guān)規(guī)范(0.95～1.05)[13]的要求。

2)從應(yīng)變測試結(jié)果來看，在工況1～6荷載試驗作用下，拱橋各測點的實測應(yīng)變值與撓度值均小于相應(yīng)的理論值，其大小分布規(guī)律與理論計算結(jié)果一致；其中，應(yīng)變值與撓度值最大相對殘余應(yīng)變分別為11.8%和14.3%，小于規(guī)范規(guī)定值(20%)，滿足規(guī)范要求。在試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)的強度和剛度具有一定的安全儲備，能夠滿足實際運營要求。

3)綜上，該橋的承載能力滿足設(shè)計要求。