摘要 為提高梁橋穩(wěn)定性測(cè)試效果，文章在等截面多跨的背景下開(kāi)展公路橋梁的極限承載力測(cè)定研究。首先，部署對(duì)應(yīng)的加載處理?xiàng)l件，分析不同工況，明確具體的極限承載測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；然后，通過(guò)對(duì)比多跨的最大正彎矩和殘余應(yīng)力，分析其在極限狀態(tài)下的承載情況。測(cè)試結(jié)果表明，6個(gè)測(cè)點(diǎn)最終的承載值均可達(dá)到10t/m2以上，說(shuō)明此次選定的H高速公路在可控的加載范圍內(nèi)，重量、加載受力面積及橋梁多跨的最大正彎矩比均成正向關(guān)系，測(cè)試結(jié)果較好。

關(guān)鍵詞 高速公路；等截面；多跨連續(xù)梁橋；極限承載；承載力計(jì)算；橋梁設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) TU399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0131-03

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，交通網(wǎng)絡(luò)的完善是經(jīng)濟(jì)水平的重要標(biāo)尺。高速公路作為城市間的紐帶，其連續(xù)梁橋因跨越遠(yuǎn)、影響小而廣泛采用。該類(lèi)橋梁的內(nèi)部穩(wěn)定性和安全性是保障交通順暢的核心[1]。多跨連續(xù)梁橋作為常見(jiàn)類(lèi)型，其極限承載力評(píng)估尤為重要，關(guān)乎橋梁安全壽命。然而，承載力計(jì)算復(fù)雜且受材料變異、施工誤差等不可控因素的影響[2]。在該背景下，該文針對(duì)高速公路等截面多跨連續(xù)梁橋進(jìn)行極限承載力的試驗(yàn)研究，通過(guò)科學(xué)方法結(jié)合工程實(shí)際，深入分析支撐結(jié)構(gòu)與點(diǎn)位，判斷疲勞、裂縫等損傷，以精確評(píng)估承載力，為橋梁安全評(píng)估與加固設(shè)計(jì)等提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)。

1 工程情況及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

當(dāng)前主要是對(duì)H區(qū)域的高速公路多跨連續(xù)橋梁極限承載力進(jìn)行計(jì)算與分析。主橋橋長(zhǎng)設(shè)置為165 m，橋?qū)挒?.5 m，其中分隔帶寬度為0.65 m。為確保最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)可靠，采用20 m+3×30 m+3×20 m的方式進(jìn)行主橋設(shè)計(jì)，周?chē)O(shè)定8跨簡(jiǎn)支T梁橋，為更好地保證建設(shè)的穩(wěn)定，還需要建設(shè)15～20 m的鋼筋混凝土內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)[3]。具體的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示：

圖1主要是對(duì)H區(qū)域高速公路多跨連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。該橋梁采用階段式建設(shè)，所以各區(qū)域的承載力必須保持一致才能確保荷載效果[4]。預(yù)設(shè)橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)、掛-100，并增設(shè)橋墩進(jìn)行過(guò)渡支撐，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的穩(wěn)定環(huán)境[5]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)明確該橋梁的覆蓋范圍，并在每一個(gè)跨度區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相搭接，形成循環(huán)式的監(jiān)測(cè)環(huán)境[6]。準(zhǔn)備測(cè)試所用的車(chē)輛、承載檢測(cè)裝置及測(cè)試輔助平臺(tái)等，完成對(duì)基礎(chǔ)測(cè)試的準(zhǔn)備工作。

2 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

結(jié)合上述的測(cè)定與驗(yàn)證，標(biāo)定出當(dāng)前的主梁，開(kāi)展測(cè)試。此次測(cè)試內(nèi)容主要包括試驗(yàn)荷載、梁體撓度、極限承載力、橋面板裂縫等。針對(duì)梁體的最大應(yīng)變分布情況，使用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變綜合測(cè)試儀采集信息，并進(jìn)行匯總整合，以待后續(xù)使用。

首先對(duì)主梁的撓度進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中，H——主梁的撓度（m）；λ——受力范圍（m2）；U——受力點(diǎn)位；D——重疊位置（m）；ρ——基礎(chǔ)荷載值（kN）。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁的撓度的測(cè)算。

然后采用靜載的方式完成梁體承載能力的測(cè)定，選擇汽-20級(jí)、掛-100作為測(cè)試輔助，依據(jù)主梁撓度完成主梁變測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，確定荷載效率系數(shù)為0.85～1.25[7]。選定4個(gè)基礎(chǔ)工況，具體見(jiàn)表1所示：

表1主要是對(duì)測(cè)試基礎(chǔ)工況環(huán)境的設(shè)定。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的工況條件，進(jìn)行測(cè)試荷載條件的設(shè)定。按荷載等效的原則進(jìn)行布載和處理，設(shè)定試驗(yàn)加載單車(chē)的總重為545 kN，共設(shè)置２輛。需要注意的是，在進(jìn)行試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重，并結(jié)合當(dāng)前的要求增加加載車(chē)輛的軸重，軸重稱(chēng)重誤差應(yīng)控制在±3.2 kN。測(cè)定環(huán)境設(shè)置情況如圖2所示：

基于此，還需要調(diào)整測(cè)試的指標(biāo)和數(shù)值，具體見(jiàn)表2所示：

表2主要是對(duì)測(cè)試數(shù)值與參數(shù)的設(shè)置，至此基本實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試環(huán)境與參照物的設(shè)定。以此為基礎(chǔ)，設(shè)置3個(gè)加載階段，分別如下：

（1）加載階段一：首先使用測(cè)試車(chē)輛1進(jìn)行加載。根據(jù)橋梁的跨度和預(yù)定的測(cè)試點(diǎn)位置，精準(zhǔn)地確定測(cè)試車(chē)輛1的初始停放位置，其初始試驗(yàn)內(nèi)力為623.52 kN·m；然后嚴(yán)格控制測(cè)試車(chē)輛1的停放位置，確保精準(zhǔn)達(dá)到約850.24 kN·m的試驗(yàn)內(nèi)力。

（2）加載階段二：在加載階段一的基礎(chǔ)上，增加測(cè)試車(chē)輛2進(jìn)行聯(lián)合加載。根據(jù)前一階段的測(cè)試結(jié)果，精細(xì)調(diào)整兩輛測(cè)試車(chē)輛的停放位置，使試驗(yàn)內(nèi)力逐漸逼近1 099.27 kN·m；通過(guò)精確控制兩輛測(cè)試車(chē)輛的分布，逐步增加內(nèi)力，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁的撓度和變位情況，確保測(cè)試的安全性和準(zhǔn)確性。

（3）加載階段三：繼續(xù)使用測(cè)試車(chē)輛1和測(cè)試車(chē)輛2進(jìn)行加載。選擇在橋梁跨中的關(guān)鍵位置進(jìn)行單點(diǎn)的集中加載，以模擬極端的荷載情況；精準(zhǔn)控制兩輛測(cè)試車(chē)輛的加載，確保試驗(yàn)內(nèi)力達(dá)到預(yù)定的1 250.24 kN·m左右，同時(shí)高度關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以全面評(píng)估其承載能力。

以上述為基礎(chǔ)，測(cè)試不同工況下的彎矩布載情況。此時(shí)，車(chē)輛在選定的區(qū)段中行駛時(shí)，測(cè)算出多跨的最大正彎矩，其計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中，Q——多跨最大正彎矩（kN·m）；κ——預(yù)設(shè)荷載值（kN）；——偏載值（kN）；λ——截面面積（m2）；r——加載值（kN）。針對(duì)各個(gè)區(qū)段得出的多跨最大正彎矩，判定分析此時(shí)橋梁承載的偏載狀態(tài)，并對(duì)該區(qū)域做出標(biāo)定。隨后，在等截面的范圍內(nèi)，對(duì)當(dāng)前的橋梁布載狀態(tài)進(jìn)行分析，車(chē)輛將以不同的重量在橋面上行駛，測(cè)定其運(yùn)行時(shí)的橋梁受力狀態(tài)，判定分析對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化，同時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，公式如下：

（3）

式（3）中，——?dú)堄鄳?yīng)力（MPa）；λ——截面重點(diǎn)受力區(qū)域（MPa）；?——正彎矩差（kN·m）；n——預(yù)設(shè)的受力點(diǎn)位，δ——重復(fù)荷載位置。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，對(duì)各個(gè)橋梁區(qū)段的殘余應(yīng)力、多跨最大正彎矩進(jìn)行組合判定，分析極限受力狀態(tài)下橋梁自身的基礎(chǔ)承載情況。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基礎(chǔ)的承載狀態(tài)預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的極限標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試條件，見(jiàn)表3所示：

表3主要是對(duì)極限狀態(tài)下等截面連續(xù)梁橋承載條件數(shù)值的設(shè)定。接下來(lái)，針對(duì)等截面的覆蓋范圍，進(jìn)行受力點(diǎn)的調(diào)整。這部分主要隨機(jī)設(shè)定6個(gè)不同的測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置及受力的區(qū)域均重疊，這樣可以確保測(cè)試結(jié)果的真實(shí)可靠。接下來(lái)，在梁體不同測(cè)點(diǎn)上布置若干典型截面的電阻應(yīng)變片，量測(cè)UHPC頂?shù)酌鎽?yīng)變和層應(yīng)變、鋼梁上下翼緣應(yīng)變、腹板應(yīng)變及縱向鋼筋應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)分析極限狀態(tài)下的荷載情況，計(jì)算此時(shí)的荷載比，公式如下：

（4）

式（4）中，——荷載情況（kN）；π——受力值（MPa）；——受力單元截面；B——受力點(diǎn)；——校驗(yàn)系數(shù)。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，荷載比的差異主要表明當(dāng)前受力面積是否處于均衡狀態(tài)，測(cè)定各工區(qū)區(qū)段的荷載比在6.5以上時(shí)，計(jì)算所選定測(cè)點(diǎn)的承載力，其計(jì)算公式如下：

（5）

式（5）中，C——承載值（kN）；G——核心受力范圍（m2）；——重疊受力范圍（m2）；μ——核心承載點(diǎn)；ψ——應(yīng)力變化比（MPa）。結(jié)合上述測(cè)定分析，對(duì)得出的數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先分析高速公路多跨連續(xù)梁橋加載全過(guò)程的荷載與跨中位移的變化情況，其曲線如圖3所示：

從圖3可以看出，跨中荷載-位移曲線存在2個(gè)較為明顯的特征點(diǎn)，開(kāi)裂點(diǎn)（A）和縱向鋼筋屈服點(diǎn)（B）。因此，可將整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程大致分為3個(gè)階段，具體分析如下：（1）線彈性階段：試驗(yàn)初期，試驗(yàn)梁跨中位移隨荷載成線性增長(zhǎng)，荷載-位移曲線的斜率較大，結(jié)構(gòu)剛度基本無(wú)變化，試驗(yàn)梁處于線彈性受力階段。（2）裂縫開(kāi)展階段：當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到850.24 kN·m時(shí)，跨中區(qū)域UHPC橋面板上緣出現(xiàn)寬度為0.04 mm的裂縫；繼續(xù)加載，試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)剛度有一定程度的降低，UHPC橋面板的上緣跨中向梁端產(chǎn)生更多裂縫，裂縫寬度增長(zhǎng)較為緩慢，最大裂縫寬度不超過(guò)0.24 mm。（3）屈服階段：當(dāng)荷載達(dá)到1 099.27 kN·m后，荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，斜率大幅降低，說(shuō)明縱向鋼筋達(dá)到屈服，試驗(yàn)梁進(jìn)入屈服階段，跨中區(qū)域的主裂縫發(fā)展迅速，梁體撓度不斷增加；荷載增加至1 250.24 kN·m時(shí)，UHPC中鋼纖維被拔出，加載點(diǎn)處鋼梁的上翼緣受拉屈服、下翼緣及腹板受壓屈服，結(jié)構(gòu)失效。

然后，結(jié)合實(shí)際的極限承載力檢測(cè)進(jìn)行分析，在3個(gè)不同的加載階段得出最終的測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表4所示：

表4主要是對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，在選定的6個(gè)測(cè)點(diǎn)中，經(jīng)過(guò)3個(gè)加載階段，最終得出的承載值均可以達(dá)到10 t/m2以上。

4 討論

依據(jù)上述的測(cè)評(píng)進(jìn)行多角度進(jìn)行分析，并對(duì)最終的橋梁極限承載力進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如下：此次選定的H高速公路，在可控的加載范圍內(nèi)，重量越大，加載受力面積越大，橋梁的多跨最大正彎矩比也隨之增加，承載力較高；反之，在可控的加載范圍內(nèi)，重量越小，加載受力面積越小，橋梁的多跨最大正彎矩比也隨之降低，承載力較小，基本成正向的承載變化關(guān)系，可控性較強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該文對(duì)高速公路等截面多跨連續(xù)梁橋極限承載力試驗(yàn)進(jìn)行深入研究和精細(xì)操作。針對(duì)當(dāng)前的建設(shè)要求，設(shè)計(jì)更加靈活、多變的極限承載模式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下的響應(yīng)特征，并采用科學(xué)的方法模擬實(shí)際的受力情況。在不同的施工條件下，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多點(diǎn)位的分析驗(yàn)證，計(jì)算處于極限狀態(tài)下的承載力，進(jìn)一步滿(mǎn)足高速公路的運(yùn)營(yíng)需求，共同推動(dòng)橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-26

作者簡(jiǎn)介：邱偉挺（1989—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。