特大橋懸灌梁成橋荷載試驗(yàn)與分析

呂曉鋒

中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300450

1 工程概況

石家莊市和平路高架橋工程主橋上跨石家莊市和平西路和石太鐵路，主橋?yàn)閱蜗淙医孛?，頂、底板采用U形加勁肋，采用跨徑為2×125 m的單索面鋼箱疊合梁鋼管混凝土系桿拱橋，跨徑布置為125 m＋125 m＝250 m。道路中心線處梁高3.2 m，橋面雙向橫坡1.5%，梁底橫橋向水平，順橋向每隔2.5 m設(shè)置橫隔板1道。頂板厚度為16、20 mm，腹板厚度為16、20、24 mm，底板厚度為14、20、26 mm，隔板厚度為12、20、24 mm?？玷F路主橋工程量為3 725 t?？玷F路匝道橋跨徑布置為90 m＋90 m，橋?qū)? m，全長(zhǎng)180 m，為變截面鋼箱梁T構(gòu)?？玷F路孔由90 m的邊跨跨越。橋面縱坡相對(duì)于主跨中心線對(duì)稱，坡度為1.45%，其中主跨及部分邊跨處于R=30 000 m的圓弧豎曲線上，主梁為兩側(cè)帶懸臂的單箱單室鋼箱梁，其頂板為正交異性板結(jié)構(gòu)?？玷F路匝道工程量為891.6 t。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋上部分主梁連續(xù)，所以具備較大的跨越能力和連續(xù)行車的優(yōu)點(diǎn)，在這個(gè)橋梁形式中，主梁、橋墩以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)都成為了一個(gè)整體，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以更加合理的受力。該橋梁形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形勻稱以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠保證整體的剛度及通車安全。橋墩自身的變形可以消除混凝土收縮徐變以及溫度效應(yīng)產(chǎn)生的撓度。連續(xù)剛構(gòu)橋的具體特點(diǎn)如下[1-4]：

1）多次超靜定結(jié)構(gòu)。大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋在結(jié)構(gòu)上屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，具有多余的約束，混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)以及預(yù)應(yīng)力作用可能會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化。為減少這些問(wèn)題，一般采用水平抗推剛度較小的空心高墩或雙薄壁墩等形式。

2）具有一定的剛度。橋墩固結(jié)且有多個(gè)主墩，每個(gè)主墩都有一定的剛度。

3）成本較低。該橋梁形式不需要在橋墩處設(shè)置伸縮縫，可有效地節(jié)約在設(shè)計(jì)和修建過(guò)程中對(duì)于支座設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)和更換的費(fèi)用。

4）抗震性能優(yōu)良。地震發(fā)生時(shí)，地震水平分力分配后分別作用到每個(gè)橋墩上，因此不需要專門設(shè)置制動(dòng)墩或修建抗震支座，可以節(jié)省成本。

5）受力性能良好。橋身的柔度能適應(yīng)混凝土收縮徐變以及溫度變化而引起的彈塑性變形，因此大跨徑連續(xù)橋梁受力時(shí)，其梁墩結(jié)合處有等同于鋼架的受力性質(zhì)，具有較好的受力性能。

3 施工仿真分析

3.1 變形控制

任何施工方式建設(shè)的大橋都會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，特別是橋梁的彎曲變形現(xiàn)象。這需要施工人員在施工時(shí)就控制好橋梁的實(shí)際標(biāo)高，并應(yīng)使其落在設(shè)計(jì)允許誤差的范圍之內(nèi)，否則就需要進(jìn)行調(diào)整。因此，保證橋梁不發(fā)生彎曲變形是一件非常重要的事情，這決定了橋梁是否能夠正常地完成修建。

3.2 應(yīng)力控制

橋梁在進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程中，所受到的應(yīng)力狀態(tài)是會(huì)發(fā)生改變的，所以需要實(shí)時(shí)了解橋梁在施工過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，并將其與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)調(diào)整誤差，從而保證所建橋梁是合理的。

4 工程成橋試驗(yàn)

4.1 成橋試驗(yàn)的核心思想

本次試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)對(duì)新建橋梁的成橋試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試橋梁的整體運(yùn)行能力，對(duì)其是否具備安全可靠的運(yùn)行方式，應(yīng)用相關(guān)試驗(yàn)方法予以檢驗(yàn)，并對(duì)施工質(zhì)量做進(jìn)一步的明確。這也為正在施工的特大橋懸灌梁提供基礎(chǔ)性的預(yù)防與預(yù)測(cè)，明確竣工后可能達(dá)到的質(zhì)量效果。本次試驗(yàn)共從兩方面入手，一是橋梁的靜載試驗(yàn)，二是動(dòng)載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)通過(guò)對(duì)車輛及行人在橋上的模擬，可以提前知道橋梁的極限荷載，并對(duì)橋梁的安全性與適用性給出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)可能出現(xiàn)的施工質(zhì)量問(wèn)題，提前做好準(zhǔn)備工作。動(dòng)載試驗(yàn)是通過(guò)試驗(yàn)的模擬，經(jīng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的檢測(cè)與觀察，對(duì)橋梁在不同使用階段出現(xiàn)的反應(yīng)做出準(zhǔn)確判定，并對(duì)各使用階段應(yīng)注意的項(xiàng)目進(jìn)行充分了解。對(duì)成橋進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，可為以后同類橋梁的建設(shè)提供更為豐富的參考數(shù)據(jù)。

4.2 成橋試驗(yàn)步驟

4.2.1 靜力荷載試驗(yàn)

首先確定車輛位置，進(jìn)行預(yù)加載，利用同等功能的設(shè)計(jì)荷載來(lái)發(fā)揮橋梁試驗(yàn)的關(guān)鍵效應(yīng)。這里需要知道橋梁所具備的結(jié)構(gòu)特征與性能，對(duì)橋跨進(jìn)行斷面撓度的檢驗(yàn)與觀測(cè)，并在觀察階段進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合理論進(jìn)行對(duì)比分析，明確實(shí)際與理論存在的不同，并采取數(shù)理評(píng)定的方法，確定橋梁正常使用下的極限荷載狀態(tài)，由此判斷該成橋能否正常投入使用及達(dá)到的安全等級(jí)（圖1）。

圖1 靜力荷載試驗(yàn)?zāi)M

監(jiān)控截面的選擇并沒有局限性，試驗(yàn)人可根據(jù)現(xiàn)行橋梁規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行選擇。圖1中2-2截面距離3#主墩中心線的伸縮縫位置為95 m，另外兩處分別為4-4截面和5-5截面，相應(yīng)距離分別為23 m與317 m。本次試驗(yàn)采取有限元軟件構(gòu)建模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的反應(yīng)進(jìn)行測(cè)算（圖2、圖3、表1）。

圖2 最大設(shè)計(jì)彎矩的活載

圖3 最小設(shè)計(jì)彎矩的活載

表1 監(jiān)控截面活載設(shè)計(jì)彎矩值

加載效率系數(shù)是指控制斷面的實(shí)際加載車輛產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)之間的比值，這個(gè)比值系數(shù)用符號(hào)η表示，η的取值范圍應(yīng)滿足：0.95≤η≤1.05。

靜力荷載試驗(yàn)下橋跨結(jié)構(gòu)的計(jì)算效應(yīng)值用Sx表示，監(jiān)控荷載作用下的橋跨結(jié)構(gòu)最不利的效應(yīng)值用S表示，在計(jì)算前，應(yīng)先行計(jì)算汽車荷載沖擊系數(shù)。對(duì)于不同的試驗(yàn)工況，用專門的橋梁分析軟件進(jìn)行計(jì)算，可以得到每個(gè)監(jiān)控截面的內(nèi)力情況，不同荷載工況的加載效率系數(shù)也不同，具體的情況如表2所示。

利用電子水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)量主梁的撓度變形，在施工階段通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的振弦式傳感器來(lái)進(jìn)行橋梁上應(yīng)力的測(cè)量，并且利用振弦讀數(shù)傳感器將這些數(shù)據(jù)級(jí)逆行采集，就可以得出主梁的撓度變形，本次試驗(yàn)所采用的車輛質(zhì)量如表3所示。

表2 靜載試驗(yàn)各工況加載效率系數(shù)

表3 加載車輛稱重的質(zhì)量

實(shí)際工況是按總車輛數(shù)分3次進(jìn)行加載，每一次分別為50%、70%、100%，上下橋的車輛必須按序進(jìn)行。上橋時(shí)開始記錄，當(dāng)所有需要加載車輛到達(dá)指定位置之后，停頓10～15 min，然后開始正式讀數(shù)。在一組項(xiàng)目測(cè)試完成無(wú)誤后，就可以開始下一個(gè)工況的測(cè)量。

4.2.2 動(dòng)力荷載試驗(yàn)

通過(guò)模擬可以了解橋跨結(jié)構(gòu)的剛度、自振基頻和阻尼系數(shù)，通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力荷載作用下的應(yīng)變反應(yīng)，能夠很好地預(yù)知橋梁整體運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，并根據(jù)不同問(wèn)題采取補(bǔ)救措施，提出意見和建議，有效防止運(yùn)營(yíng)后事故的發(fā)生（圖4）。

跳車試驗(yàn)的方法是采用2輛相同質(zhì)量的翻斗車（25 t），測(cè)量這2個(gè)翻斗車中長(zhǎng)20～30 cm的枕木落下時(shí)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊，以測(cè)量結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼。動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)的位置分別在主橋中跨的跨中截面、1/4截面和3/4截面處。

動(dòng)載的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明，該橋二階自振頻率為28.1 Hz，阻尼比β為10.6%～61.3%，而對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算二階頻率為12.1 Hz。

通過(guò)數(shù)據(jù)我們可以知道，實(shí)際測(cè)得的頻率大于理論計(jì)算值，表明橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較大，振動(dòng)響應(yīng)較小，行車性能比較正常，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的荷載要求。同時(shí)通過(guò)實(shí)際的動(dòng)載試驗(yàn)，可以測(cè)得和分析得出橋梁的沖擊系數(shù)為0.035。通過(guò)實(shí)際的幾種測(cè)試，包括地脈動(dòng)、跳車試驗(yàn)，可以通過(guò)它們加速時(shí)所得的時(shí)程曲線及頻譜數(shù)據(jù)，得知依托工程具有較小的振動(dòng)響應(yīng)，具有良好的行車性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)背景工程分別進(jìn)行成橋的靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，石家莊市和平路橋梁工程一號(hào)橋的各個(gè)斷面都能夠表現(xiàn)出較好的受力狀態(tài)，滿足之前的設(shè)計(jì)要求，而且各個(gè)截面的應(yīng)力和變形都較為合理，所以施工控制是非常有必要的[5-7]。通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力荷載作用下的應(yīng)變反應(yīng)，能夠很好地預(yù)知橋梁整體運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，有效防止運(yùn)營(yíng)后事故的發(fā)生，保證橋梁能夠正常良好地投入使用。