劉大鵬 LIU Da-peng
(中交遠洲工程咨詢有限公司,石家莊 050035)
近年來鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)作為全新的結(jié)構(gòu)形式,在高速公路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用,這種結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料的各自特性,而且施工快捷、方便,從而受到工程界的青睞。我國在該領(lǐng)域的研究較晚,但隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展,預應(yīng)力鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,如何對鋼-混凝土組合箱梁橋的承載能力進行評價還存在許多亟待解決的問題。目前,國內(nèi)外學者對預應(yīng)力鋼-混凝土新型組合梁橋的研究相對較少,理論體系還不完善,國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范也沒有相應(yīng)的條款對該類型橋梁如何進行荷載能力評價有詳細介紹[1]。
文章以某一新建鋼-混凝土組合箱梁橋為例,參考現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范詳細介紹了該類橋型的靜、動載試驗,并對其承載能力及工作性能進行了評價,對確保該橋的正常使用、完善該類橋型荷載試驗具有重要的現(xiàn)實意義。
某分離式立交橋為繞城公路上的一座橋梁,主跨采用40+55+40m 鋼-混組合梁,橋下凈高不小于7.2m。橋梁左幅共六聯(lián):4×30+4×30+(40+55+40)+(23+2×30)+4×30+3×30m,右幅共七聯(lián):3×30+3×30+(23+2×30)+(40+55+40)+3×30+3×30+3×30m;橋長675m。
該橋上部構(gòu)造左幅第三聯(lián)、右幅第四聯(lián)采用鋼-混組合梁,其余聯(lián)采用鋼-混組合工字鋼梁,交角90°。鋼-混組合梁橫向3 片箱梁,箱梁底寬3.5m,箱梁間凈距2.0m,懸臂1.0m,梁高2.2m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ),橋臺采用肋板臺、樁基礎(chǔ)。
橋梁設(shè)計荷載:公路—Ⅰ級。
橋面寬度:2×(0.5m 墻式護欄+15.5m 行車道+0.5m 墻式護欄)+1.5m 間距;兩幅全寬34.5m。
一般來說對任何類別的結(jié)構(gòu)進行截面設(shè)計都要滿足兩類極限狀態(tài)的要求[2,3]。對于簡支組合梁這種受彎構(gòu)件而言,要計算其強度、剛度(撓度)和穩(wěn)定性是否滿足要求,通常組合梁的計算應(yīng)分別對施工階段和使用階段進行計算[4-6]。成橋階段荷載試驗主要計算使用階段。而在使用階段,應(yīng)利用塑性設(shè)計法計算組合截面的承載力,該階段的穩(wěn)定性一般均能滿足,可不必計算[7]。
本橋采用MIDAS 有限元軟件對40+55+40m 鋼-混組合梁進行建模計算,將該橋主跨結(jié)構(gòu)離散為138 個節(jié)點,137 個單元,計算模型如圖1 所示。
本次靜載試驗荷載的大小和加載位置按照內(nèi)力等效原則,即采用靜載試驗荷載效率進行控制[8]。通過計算荷載試驗靜載效率計算結(jié)果見表1。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程[9,10]靜力荷載試驗效率,對驗收性荷載試驗其值應(yīng)大于或等于0.85,且不得大于1.05,對鑒定性荷載試驗,其值應(yīng)大于或等于0.95,且不得大于1.05。此次荷載試驗的靜力荷載試驗效率在0.95~1.04 之間,滿足現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程的要求。
表1 橋梁靜載試驗荷載效率匯總表
①本次靜力荷載試驗為基本荷載試驗。橋梁采用等效荷載加載,等效荷載采用6 輛約50 噸的三軸載重汽車,效率系數(shù)控制在0.95~1.05 之間,滿足規(guī)范要求。
②測試項目及測試方法。
應(yīng)力:第10、11 跨L/2 斷面,10#墩支點斷面各鋼箱梁梁底應(yīng)力;10#墩頂、第11 跨跨中斷面3#鋼箱梁腹板應(yīng)力。
撓度:第10 跨、第11 跨L/2 斷面各鋼箱梁的撓度,9#墩、10#墩、11#墩各支點斷面撓度。
試驗現(xiàn)象觀察:在試驗加載過程中,觀察結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常變形、響動、失穩(wěn)、扭曲、晃動等異常現(xiàn)象。試驗過程中實時觀察橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫有無開焊、連接螺栓是否存在松動等現(xiàn)象。
③加載工況。
本次荷載試驗分6 個工況,分別為:第10 跨最大正彎矩偏心加載、第10 跨最大正彎矩對稱加載、第11 跨跨中位置偏心加載、第11 跨跨中位置對稱加載、10#墩頂負彎矩偏心加載、10#墩頂負彎矩對稱加載,每工況均分級加載。
3.2.1 應(yīng)力測試結(jié)果
在第10、11 跨最大正彎矩等效荷載作用下,梁底應(yīng)力校驗系數(shù)均小于1.00,表明第10、11 跨各箱梁在試驗荷載作用下,結(jié)構(gòu)的強度能滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的要求。
在10#墩支點最大負彎矩等效荷載作用下,10#墩支點斷面各箱梁梁底應(yīng)力校驗系數(shù)均小于1.00,表明10#墩支點處各箱梁在試驗荷載作用下,結(jié)構(gòu)的強度能滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的要求。
在10#墩支點最大負彎矩等效荷載作用下,10#墩支點斷面3#箱梁腹板應(yīng)力校驗系數(shù)均小于1.00,滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的相關(guān)要求。
在等效荷載作用下,量測的第10、11 跨跨中斷面鋼箱梁底應(yīng)力測點相對殘余應(yīng)力均小于20%,滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的相關(guān)要求。
3.2.2 撓度測試結(jié)果
在第10、11 跨最大正彎矩等效荷載作用下,跨中斷面撓度測點校驗系數(shù)均小于1.00,表明第10、11 跨各鋼箱梁在試驗荷載作用下,結(jié)構(gòu)整體剛度能滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的要求。
試驗跨各工況控制斷面的實測撓度與理論撓度對比曲線吻合較好,說明橋梁整體性較好。
在各工況等效荷載作用下,量測的第10、11 跨跨中斷面梁底撓度測點相對殘余變位均小于20%,滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)的相關(guān)要求。
3.2.3 試驗現(xiàn)象觀察結(jié)果
在試驗加載過程中,結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常變形、響動、失穩(wěn)、扭曲、晃動等異常現(xiàn)象。試驗加載過程中,橋梁鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)焊縫開焊、連接螺栓松動等現(xiàn)象。
綜上所述,在試驗荷載作用下,試驗跨箱梁強度、剛度均滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的要求。
4.1.1 測試方法
在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下,通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)(自由振動位移時程曲線)。
對應(yīng)測試參數(shù):結(jié)構(gòu)的固有頻率f0。
4.1.2 測點布置
自振頻率測試:測點布置在第10、11 跨(跨中、四分點)內(nèi)側(cè)護欄處,測試橋梁的固有頻率f0。
4.1.3 理論計算
通過使用Midas civil 分析軟件對該橋進行建模計算,得出該橋理論豎向一階頻率為2.482Hz。模型圖如圖2 所示。
圖2 橋梁一階豎向振型圖
4.1.4 自振特性測試結(jié)果
結(jié)構(gòu)豎向振動測試分析結(jié)果見表2,從表中數(shù)據(jù)可得出:該橋?qū)崪y自振頻率大于理論計算自振頻率,說明結(jié)構(gòu)的實際剛度大于理論剛度,能滿足設(shè)計荷載正常使用要求。
表2 橋梁自振特性匯總表
4.2.1 測試方法
在橋面上無任何障礙的情況下,采用1 輛試驗車分別以20km/h、30km/h、40km/h 的不同車速勻速通過試驗橋跨結(jié)構(gòu),記錄不同車速的試驗車輛在試驗孔上行駛時測點的撓度時程曲線,根據(jù)所記錄的曲線計算和分析橋梁在試驗荷載作用下的沖擊系數(shù)。
本次沖擊系數(shù)測試使用BJQN-5A 橋梁撓度檢測儀進行測試、分析。
4.2.2 測點布置
測點布置在第11 跨3#鋼箱梁梁底跨中位置。
4.2.3 加載方案
采用1 輛50 噸左右的試驗車分別以20km/h、30km/h、40km/h 的不同車速勻速通過試驗橋跨結(jié)構(gòu),記錄不同車速的試驗車輛在試驗孔上行駛時測點的撓度時程曲線。
4.2.4 測試結(jié)果
跑車試驗結(jié)果匯總見表3,從表中數(shù)據(jù)可得出:第11跨實測最大動撓度為5.333mm;實測沖擊系數(shù)最大值為0.064 小于JTG D60-2015 規(guī)范理論沖擊系數(shù)值0.145,說明結(jié)構(gòu)的動力性能較好。
表3 試驗跨動載試驗測量結(jié)果表
通過對鋼-混組合連續(xù)箱梁橋進行受力分析,結(jié)合現(xiàn)行檢測和評定規(guī)程[9,10],鋼-混組合連續(xù)箱梁橋的荷載試驗控制截面主要為:邊跨和中跨最大正彎矩截面,支點最大負彎矩截面,此次荷載試驗選取的控制截面滿足現(xiàn)行規(guī)范和評定規(guī)程的要求。
通過建立空間有限元模型計算分析和進行實橋靜、動載試驗得出:所試驗的鋼-混組合梁橋試驗跨的承載能力能夠滿足設(shè)計荷載(公路-Ⅰ級)的正常使用要求。
結(jié)合實橋靜、動載試驗和有限元分析模型的計算結(jié)果進行對比分析,說明采用有限元軟件對預應(yīng)力鋼-混凝土組合梁進行受力分析具有可行性。