郭延飛,陳佳佳,王國煒,亓興軍
(1.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250101;2.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司,四川 成都 610041;3.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司,山東 濟(jì)南 250101;4.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用裝配式公路鋼橋器材架設(shè)臨時(shí)鋼便橋、應(yīng)急橋梁、“橋橋”施工塔架、支撐架、棧橋和工作平臺(tái)等多種裝配式鋼結(jié)構(gòu),臨時(shí)便橋施工在道路保通過程中為應(yīng)急搶修搶建積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。貝雷梁鋼便橋以構(gòu)造簡單、自重輕、方便快速架設(shè)及可循環(huán)利用等優(yōu)勢在工程中得以廣泛應(yīng)用,尤其在抗震搶險(xiǎn)救災(zāi)的時(shí)候,作為架設(shè)運(yùn)送物資的便橋起到了關(guān)鍵作用[1]。貝雷梁鋼便橋作為臨時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)使用時(shí),一般需要滿足大型重載車輛的通過要求,因此有必要對貝雷梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全計(jì)算和荷載試驗(yàn),為鋼便橋運(yùn)營使用提供技術(shù)依據(jù)[2]。本文結(jié)合多跨簡支貝雷梁搶通工程,通過橋梁專用軟件MIDAS/CIVIL建立空間有限元模型,結(jié)合《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》中錯(cuò)孔撓度理論計(jì)算的方法,依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)對現(xiàn)有ZB-200型鋼便橋的承載能力進(jìn)行評估和判斷,為今后橋梁搶修工程提供值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
G318線竹巴籠金沙江大橋位于川藏公路分界線上,是由川進(jìn)藏的關(guān)鍵線路之一,上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為8×30 m預(yù)應(yīng)力T梁+1×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆空心板,下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩、摩擦樁基礎(chǔ)。受堰塞湖泄洪影響,第2~8跨上部結(jié)構(gòu)被洪水沖毀。為盡快恢復(fù)交通,做好搶通保通和災(zāi)后重建工作,在原有橋墩和蓋梁的基礎(chǔ)上,中間7孔采用ZB-200型上承式三排單層加強(qiáng)型簡支戰(zhàn)備鋼橋,兩岸邊孔保留,并對四川岸邊T梁進(jìn)行糾偏復(fù)位。橋梁橫向布置為雙側(cè)三排,兩側(cè)桁架之間設(shè)置剪力撐,I型剪刀撐適用于鋼橋奇數(shù)跨,共4跨,每跨9片;II型剪刀撐適用于鋼橋偶數(shù)跨,共3跨,每跨11片,橋面寬度:凈1.0 m(護(hù)欄)+4.2 m(行車道)+1.0 m(護(hù)欄)=6.2 m,如圖1所示。每一標(biāo)準(zhǔn)型桁架單元長度為3.048 m,一孔30 m橋垮采用10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型桁架單元,相鄰兩孔簡支鋼梁橋的主桁架橫向交錯(cuò)布置,每跨桁架下部設(shè)置3~4道橫梁,如圖2所示。該橋設(shè)計(jì)荷載:汽-20、掛-100(只允許單車通過),該次荷載試驗(yàn)為確定搶通工程實(shí)際工作狀況及受力狀態(tài)是否滿足試運(yùn)營(單車50 t)階段使用要求,因而對其進(jìn)行荷載試驗(yàn)和承載能力評估[3]。
圖1 鋼桁架橋梁斷面圖(單位:mm)
圖2 鋼桁架橋梁立面圖(單位:cm)
為科學(xué)進(jìn)行該橋梁的荷載試驗(yàn),運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立橋梁三維空間有限元模型,通過運(yùn)營荷載組合計(jì)算,得到相應(yīng)不利斷面,進(jìn)而確定試驗(yàn)和檢測斷面。模型中貝雷梁、橫梁采用Q345鋼,其余各構(gòu)件均采用Q235鋼材模擬;橋面13.5 cm厚花紋鋼板采用板單元模擬,其余采用梁單元模擬。在兩片貝雷片連接位置釋放梁單元y-y方向旋轉(zhuǎn)自由度,橋面板與分配梁共用節(jié)點(diǎn),貝雷梁與工字鋼橫梁之間的連接采用彈性連接中的一般連接[4]。試驗(yàn)荷載下彎矩包絡(luò)圖如圖3所示。
圖3 試驗(yàn)荷載下(中載)彎矩包絡(luò)圖
(1)撓度測點(diǎn)布置
該跨布置6個(gè)變形測點(diǎn),位于橋面距護(hù)欄約20 cm處及道路中心線上,測點(diǎn)編號(hào)為D1~D6,變形測量采用高精度水準(zhǔn)儀,布置點(diǎn)如圖4所示。
圖4 撓度測點(diǎn)布置圖(單位:cm)
(2)應(yīng)變測點(diǎn)布置
對應(yīng)急保通鋼桁架進(jìn)行檢測:該跨支點(diǎn)鋼梁進(jìn)行剪力檢測,在檢測每片桁架端立柱下部各布置一處應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn),共計(jì)6個(gè)測點(diǎn);跨中每片桁架梁上、下弦桿各布置一處應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn),共計(jì)12個(gè)測點(diǎn)。墩頂測點(diǎn)布置圖如圖5至圖7所示。
圖5 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖
圖6 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖(支座處豎桿)(單位:mm)
圖7 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖(跨中弦桿)(單位:mm)
(3)橋墩偏位檢測。
在各工況試驗(yàn)汽車荷載作用下,觀測墩柱是否有偏位產(chǎn)生;記錄發(fā)現(xiàn)偏位的工況及加載等級(jí),偏位大小和方向。觀測過程中若發(fā)現(xiàn)數(shù)值超過荷載計(jì)算的容許值,或出現(xiàn)其他異常情況時(shí),應(yīng)立即停止加載。偏位測點(diǎn)布置如圖8所示。
圖8 墩柱偏位測點(diǎn)(單位:mm)
依據(jù)設(shè)計(jì)文件橋面板軸重不大于14 t,試運(yùn)營(單車50 t)階段使用要求運(yùn),通過三維模型計(jì)算確定靜載試驗(yàn)需要加載車2輛35 t(50 t等效荷載進(jìn)行加載)。無額定計(jì)算試驗(yàn)荷載最大彎矩4 512.8 kN·m,荷載效率系數(shù)為0.969,處于規(guī)范規(guī)定的范圍0.85~1.05,表明此試驗(yàn)加載有效。
根據(jù)貝雷梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場的實(shí)際情況,按照測試界面的控制內(nèi)力及撓度布載,本橋加載過程分為四級(jí),卸載過程分為二級(jí)。加載工況示意圖如圖9所示。
圖9 100%加載下車輛布置圖(單位:cm)
(1)預(yù)加載:零載→50%荷載值→零載
(2)正式加載:零載→工況I-1(25%)→工況I-2(50%)→工況I-3(75%)→工況I-4滿載(100%)→工況I-5(50%)→零載。
貝雷桁架間連接采用銷接,由于銷與孔間存在著設(shè)計(jì)間隙,桁架受力后兩者間的相對位移會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非彈性撓度,所以ZB-200型鋼桁架的撓度由2部分組成[5]:(1)桁架結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的彈性撓度;(2)銷釘與銷孔之間的間隙,引起的非彈性撓度即錯(cuò)孔撓度。由文獻(xiàn)[6]可知,ZB-200型貝雷梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長3.048 m,高度2.134 m,國產(chǎn)貝雷梁孔與銷間的設(shè)計(jì)間隙為0.5 mm[6]。
《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》采用虛功原理,推導(dǎo)出單層簡支貝雷梁錯(cuò)孔撓度計(jì)算公式:
式中:d為貝雷梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度的一半;θ為銷釘與銷釘孔之間的間隙Δ所引起的轉(zhuǎn)角為貝雷梁高度;n為貝雷梁節(jié)段數(shù)。
貝雷梁撓度測試結(jié)果表明,墩頂位置采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測,變形較小未能發(fā)現(xiàn)撓度變化??缰薪孛鎸?shí)測撓度值為34.4~35.6 mm,材料計(jì)算受力變形撓度為26.1 mm,錯(cuò)空撓度值為17.8 mm,撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.78~0.80之間。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求,表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況要好于理論狀況,結(jié)構(gòu)變形滿足彈性工作狀況要求。具體撓度對比分析情況如圖10所示。
圖10 最大正彎矩?fù)隙壤碚摀隙群蛯?shí)測撓度對比圖
貝雷梁應(yīng)變測試結(jié)果表明:各桿件實(shí)測應(yīng)變介于-189~255 με之間,殘余變形應(yīng)變介于-13~16 με之間,理論計(jì)算應(yīng)變介于-315~302 με之間,跨中截面校驗(yàn)系數(shù)在0.35~0.91之間。結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范小于1.0的規(guī)定,表明貝雷梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載和使用的要求;相對殘余應(yīng)變絕對值最大為8.13%,均小于20%的規(guī)范值,說明結(jié)構(gòu)卸載后有較好的彈性恢復(fù)能力。具體應(yīng)變對比分析情況如圖11至圖12所示。
圖11 最大正彎矩(上下弦桿)理論應(yīng)變和實(shí)測應(yīng)變對比圖
圖12 最大正彎矩墩頂豎桿理論應(yīng)變和實(shí)測應(yīng)變對比圖
測試跨徑兩邊墩柱位移結(jié)果最大偏位為4-1#墩2.8 mm下游方向,各工況主測截面偏位介于0.2~2.8 mm,墩柱位移相對較小,表明墩柱結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況要好于理論狀況。
橋梁結(jié)構(gòu)作為國省道跨越障礙物的重要組成部分,地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的橋梁破壞對災(zāi)后重建和物資運(yùn)輸帶給社會(huì)的影響巨大。本文通過對竹巴籠大橋搶修架設(shè)貝雷梁鋼便橋的荷載試驗(yàn),判定搶修橋梁在運(yùn)營狀態(tài)下的承載能力。
(1)該次檢測各工況測試應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、相對殘余變位絕對值滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的要求。
(2)各工況測試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.78~0.80之間,通過貝雷梁實(shí)橋加載試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了MIDAS有限元模型和錯(cuò)孔撓度理論計(jì)算確認(rèn)撓度的可靠性。
(3)各工況的荷載試驗(yàn)效率在0.85~1.05之間,其試驗(yàn)結(jié)果表明表明貝雷梁結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載和滿足單車50 t運(yùn)營要求。