作者簡(jiǎn)介：

潘 波（1986—），工程師，主要從事水運(yùn)工程建設(shè)管理工作。

摘要：為保證某航運(yùn)樞紐船閘工程的安全運(yùn)行，文章參考公路橋梁工程等相關(guān)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)船閘工程壩頂交通橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，利用Midas Civil及Civil Designer有限元軟件進(jìn)行建模及可視化加載方案設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算值進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)橋梁現(xiàn)階段承載能力。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的加載方案合理，保證了試驗(yàn)的安全可靠，在方案設(shè)計(jì)的等效荷載作用下，橋梁撓度、應(yīng)變等參數(shù)均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，橋梁承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：壩頂交通橋；有限元；荷載效率；撓度；應(yīng)變

中圖分類號(hào)：U641.3+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 65 213 5

0 引言

航運(yùn)樞紐交通橋通常利用船閘墩墻作為墩體架設(shè)，參照公路橋梁的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。船閘交通橋?yàn)閮砂盾囕v與行人過閘重要交通設(shè)施，為保證船閘工程的整體安全運(yùn)行，對(duì)船閘交通橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)尤為重要［1］。而目前水運(yùn)工程相關(guān)規(guī)范缺少對(duì)船閘交通橋靜載試驗(yàn)具體的檢測(cè)依據(jù)與判定依據(jù)，傳統(tǒng)車輛布載方式效率低且對(duì)非控制截面內(nèi)力不可控，導(dǎo)致方案設(shè)計(jì)欠缺合理化，影響試驗(yàn)的安全。本文以實(shí)際項(xiàng)目為依托，參考公路橋梁工程等相關(guān)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)規(guī)范要求［2-6］，聯(lián)合Midas Civil及Civil Designer軟件進(jìn)行布載方案設(shè)計(jì)，對(duì)某船閘交通橋的靜載試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)分析闡述，為類似項(xiàng)目試驗(yàn)提供借鑒。

1 工程概況

某航運(yùn)樞紐船閘工程壩頂交通橋采用單幅結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)112.00 m，橋面寬度為6.00 m，全橋共3聯(lián)，橋跨組合為1×18 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）空心板+1×40 m鋼箱梁+3×18 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）連續(xù)空心板，1#跨、2#跨采用簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)，3#～5#跨采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。1#跨、3#～5#跨橫向布置5片空心板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，空心板高0.95 m。2#跨上部結(jié)構(gòu)采用主梁為變高度鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼材為Q345D。標(biāo)準(zhǔn)梁寬7 m，梁頂設(shè)1.5%的橫坡，梁底橫向?yàn)橹本€，縱向?yàn)閽佄锞€，梁高由1.557 m變化到1.050 m。箱梁頂、底板厚16 mm，腹板厚16 mm，頂?shù)装逶O(shè)縱向加勁肋，每隔2.5 m設(shè)一片橫隔板，橫隔板之間設(shè)一道腹板豎向加勁肋。箱梁采用全焊接結(jié)構(gòu)。

交通橋下部結(jié)構(gòu)的小樁號(hào)橋臺(tái)直接在壩頂澆筑蓋梁，大樁號(hào)橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，1#～4#墩采用樁式墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

0#、5#橋臺(tái)及1#、2#橋墩采用C40型鋼模數(shù)式伸縮縫，臺(tái)后搭板長(zhǎng)度為6 m。預(yù)應(yīng)力混凝土空心板采用GJZ板式橡膠支座。

橋面鋪裝采用10 cm厚C50混凝土+防水層+8 cm厚瀝青混凝土。橋面兩側(cè)各設(shè)一道鋼筋混凝土墻式護(hù)欄。

該橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)（JTG D60-2015）。

（2）設(shè)計(jì)行車速度：30 km/h。

（3）橋面寬度：0.5 m（欄桿）+2×3.0 m（車行道）+0.5 m（欄桿）。

為評(píng)價(jià)交通橋整體承載能力，本次靜載試驗(yàn)選取壩頂交通橋1#跨（18 m簡(jiǎn)支空心板）、2#跨（40 m簡(jiǎn)支鋼箱梁）、3#～4#跨（3×18 m橋面連續(xù)空心板）。1#跨、2#跨、3#跨、4#跨最大正彎矩工況測(cè)試截面為A1～A4，3#墩支點(diǎn)位置最大負(fù)彎矩工況測(cè)試截面為Z3f。試驗(yàn)控制截面布置見圖1。

2 靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 Midas Civil有限元建模

采用Midas Civil軟件［7-9］分別對(duì)交通橋的3個(gè)試驗(yàn)聯(lián)分別建立有限元計(jì)算模型，其中簡(jiǎn)支與連續(xù)空心板按“梁格法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，鋼箱梁采用單梁模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算并考慮實(shí)際預(yù)拱度。有限元模型如圖2～4所示，建模時(shí)采用以下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數(shù)。

（2）截面變形符合平截面假設(shè)。

由于橋面系防撞護(hù)欄對(duì)上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)不大，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，不加入計(jì)算模型。根據(jù)以往檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，橋面鋪裝實(shí)際施工尺寸一般存在偏差，因此橋面鋪裝計(jì)入8 cm厚混凝土現(xiàn)澆層，但在結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)其余2 cm厚的現(xiàn)澆混凝土、8 cm厚瀝青混凝土和防撞護(hù)欄質(zhì)量。

本次試驗(yàn)控制荷載為設(shè)計(jì)荷載（即公路-Ⅱ級(jí)）。橋面凈寬為6.00 m，設(shè)計(jì)車道數(shù)為2車道，因此橫向按2車道布置汽車荷載，橫向車道布載系數(shù)分別為1.20、1.00。本次所有試驗(yàn)跨所在橋聯(lián)最大跨徑為40 m，lt;150 m，因此不考慮縱向折減系數(shù)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，簡(jiǎn)支空心板、簡(jiǎn)支鋼箱梁、連續(xù)空心板試驗(yàn)聯(lián)第1階豎彎自振頻率分別為5.65 Hz、2.25 Hz、4.97 Hz，計(jì)算出沖擊系數(shù)μ分別為0.290、0.128、0.267。

2.2 可視化載荷車輛布置

本次試驗(yàn)為交工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015），試驗(yàn)荷載效率滿足應(yīng)介于0.85～1.05的要求。由于本次試驗(yàn)橋?qū)拑H為7 m，橫向車輛間距較小，中載與偏載正彎矩計(jì)算結(jié)果接近，因此各試驗(yàn)跨僅考慮偏載最不利工況。本次荷載試驗(yàn)共采用4輛三軸載重汽車（如圖5所示），軸距和軸重見表1。

傳統(tǒng)布載方法［10-11］通過預(yù)設(shè)車輛荷載不斷調(diào)整車重、位置、車輛間距等，每次布載均需在軟件中進(jìn)行多次重復(fù)操作，且不能同時(shí)比較多種工況下等效彎矩大小，從而制定優(yōu)選方案，造成效率低及方案設(shè)計(jì)欠缺合理化。而采用Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯(lián)合方法進(jìn)行加載車方位布置，Civil Designer軟件通過對(duì)Midas Civil軟件計(jì)算的控制截面影響線進(jìn)行布載方案設(shè)計(jì)，在軟件中自由設(shè)置車重、車數(shù)、荷載分級(jí)和荷載效率范圍，自動(dòng)計(jì)算合理的車輛布載方式，軟件交互界面可實(shí)時(shí)觀測(cè)橋體受力與變形情況，實(shí)現(xiàn)加載效率的可視化，最后將生成的分級(jí)加載工況導(dǎo)入Midas Civil軟件中得到相應(yīng)的分級(jí)加載試驗(yàn)工況。

通過對(duì)車輛位置的動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終確定本次試驗(yàn)的荷載效率范圍為：0.861～1.041，滿足規(guī)范要求，且工況3及工況5的布載方式相同，達(dá)到了一種布載方式檢驗(yàn)多種工況的效果，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間。Midas Civil與Civil Designer有限元軟件聯(lián)合方法的可視化載荷車輛布置在很大程度上提高了方案設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，也保證了試驗(yàn)的可靠性與安全性。計(jì)算得到各試驗(yàn)工況的試驗(yàn)荷載效率見表2。

2.3 測(cè)試截面、測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

2.3.1 測(cè)試截面、測(cè)試內(nèi)容

本次壩頂交通橋靜載試驗(yàn)對(duì)應(yīng)5種試驗(yàn)工況共布置了5個(gè)測(cè)試截面：A1～A4和Z3f截面。其中A1～A4分別為1#～4#跨空心板及鋼箱梁最大正彎矩截面，即相應(yīng)工況的控制截面，考慮支座尺寸影響而實(shí)際無法在3#墩支點(diǎn)Z3截面布置空心板下緣應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，所以未選取此截面為測(cè)試截面。為保證試驗(yàn)效果，測(cè)試截面為Z3截面選擇布置在往大樁號(hào)向偏移1.50 m的Z3f截面。

試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容包括采集荷載作用下的梁體結(jié)構(gòu)在控制截面或輔助截面位置的應(yīng)變、撓度及支座壓縮情況。具體測(cè)試截面和測(cè)試內(nèi)容見表3。

2.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

2.3.2.1 位移測(cè)點(diǎn)

試驗(yàn)的位移測(cè)點(diǎn)分為撓度測(cè)點(diǎn)與修正支點(diǎn)沉降的支座壓縮測(cè)點(diǎn)。

依據(jù)表3，在空心板A1、A3、A4截面及鋼箱梁A2、四分點(diǎn)截面布置豎向撓度測(cè)點(diǎn)，采用數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量?？招陌逦灰茰y(cè)點(diǎn)布置于各片梁底板中線對(duì)應(yīng)的橋面處，每個(gè)截面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，鋼箱梁位移測(cè)點(diǎn)布置于左右兩側(cè)，每個(gè)截面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋共21個(gè)測(cè)點(diǎn)。

支座壓縮測(cè)點(diǎn)布置于0#臺(tái)、1#～4#墩支座附近，采用位移傳感器測(cè)試。將傳感器固定于支座旁蓋梁或帽梁處，測(cè)量該處與梁底面的豎向相對(duì)位移值作為支座壓縮變形量。其中0#臺(tái)大樁號(hào)面、4#墩小樁號(hào)面各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)；1#、3#、4#墩小樁號(hào)面與2#墩、3#墩大樁號(hào)面各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)；2#墩小樁號(hào)面、1#墩大樁號(hào)面各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。共布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

2.3.2.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

依據(jù)表3，在空心板及鋼箱梁A1～A4截面和Z3f截面梁底布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，另外在每個(gè)控制截面的偏載側(cè)（左側(cè)）腹板外立面布置2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在試驗(yàn)中即可根據(jù)腹板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)判定梁體變形是否符合平截面假定，進(jìn)而判斷梁體在荷載作用下是否持續(xù)發(fā)生彈性變形，當(dāng)數(shù)值異常立即暫停試驗(yàn)，保證試驗(yàn)工作的安全。橋梁梁體應(yīng)變采用混凝土或鋼結(jié)構(gòu)電阻式應(yīng)變片測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)均為單向測(cè)點(diǎn)，空心板A1、A3、A4截面每截面布置空心板底部及左側(cè)面共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，Z3f截面布置空心板底部10個(gè)測(cè)點(diǎn)，鋼箱梁A2截面布置底部及左側(cè)面9個(gè)測(cè)點(diǎn)。本次應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共布置55個(gè)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見下頁圖7。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果

橋梁靜載試驗(yàn)前需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，檢查橋體結(jié)構(gòu)尺寸、外觀質(zhì)量、病害缺陷等，避免試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步破壞，保證試驗(yàn)安全，而且因船閘交通橋結(jié)構(gòu)特殊性，還應(yīng)進(jìn)行船閘承重墩墻的外觀質(zhì)量和表面缺陷的檢查。

試驗(yàn)前通過現(xiàn)場(chǎng)檢查，橋梁箱梁、橋臺(tái)、承重墩墻等主要結(jié)構(gòu)的尺寸符合設(shè)計(jì)要求，各構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)有混凝土破損，裂縫、漏筋等病害。

3.2 撓度、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析

工況2為2#跨鋼箱梁A2截面最大正彎矩偏載（偏左側(cè)）。本節(jié)以工況2為例對(duì)試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)變及撓度結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合規(guī)范要求綜合評(píng)價(jià)船閘交通橋靜載現(xiàn)階段承載能力。

3.2.1 撓度測(cè)試結(jié)果分析

通過數(shù)字水準(zhǔn)儀采集得到鋼箱梁控制截面及輔助截面的試驗(yàn)撓度值，實(shí)測(cè)彈性撓度值計(jì)算撓度值的比值即為應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)。試驗(yàn)荷載全部卸載后持續(xù)監(jiān)測(cè)撓度值直至數(shù)值穩(wěn)定，獲得殘余撓度，殘余撓度為正值即認(rèn)定為不可恢復(fù)變形，殘余撓度與實(shí)測(cè)彈性撓度值的比值即為相對(duì)殘余撓度。試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4，截面撓度橫向分布曲線見圖8。

撓度測(cè)試結(jié)果顯示，試驗(yàn)實(shí)測(cè)撓度值均小于模型計(jì)算值，左右兩側(cè)實(shí)測(cè)彈性撓度最大值均出現(xiàn)在跨中控制截面。可以發(fā)現(xiàn)，偏載側(cè)（左側(cè)）撓度值為16.73 mm，大于右側(cè)的12.39 mm，結(jié)構(gòu)撓曲符合偏載受力的特點(diǎn)；各測(cè)試點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.667～0.843，其中跨中截面校驗(yàn)系數(shù)為0.684，實(shí)測(cè)撓度縱向變形及橫向分布正常，表明梁體整體受力性能良好；荷載卸載后相對(duì)殘余撓度率為1.61%，小于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對(duì)殘余撓度率限值，說明結(jié)構(gòu)撓曲在卸載后能夠基本恢復(fù)彈性。

3.2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

應(yīng)變結(jié)果計(jì)算分析與撓度分析類似，鋼箱梁各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值、校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見表5及圖9（a），中性軸的位置計(jì)算結(jié)果見表6和圖9（b）。

圖9（a）的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯示，跨中控制截面實(shí)測(cè)彈性應(yīng)變值沿偏載方向遞增，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，最大應(yīng)變值為79 με，符合結(jié)構(gòu)偏載受力的彈性變形特點(diǎn)，各實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于模型計(jì)算值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.815～0.975，說明橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段仍有部分強(qiáng)度和剛度儲(chǔ)備。通過圖9（b）的中性軸位置分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)應(yīng)變梁高線性趨勢(shì)線分布與計(jì)算分布線基本擬合，說明試驗(yàn)符合平截面假定理論，試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)均處于彈性變形。卸載待變形穩(wěn)定后的相對(duì)殘余應(yīng)變率為2.74%，小于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）要求的20%相對(duì)殘余應(yīng)變率限值，說明結(jié)構(gòu)變形在卸載后能夠基本彈性恢復(fù)。

3.2.3 裂縫觀測(cè)結(jié)果分析

在整個(gè)試驗(yàn)加載過程中，近距離對(duì)試驗(yàn)控制截面及承重墩墻的裂縫情況進(jìn)行巡檢，各部位未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生，表明本次靜載試驗(yàn)未對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傷害。

4 結(jié)語

（1）壩頂交通橋各試驗(yàn)橋跨在試驗(yàn)荷載效率ηq為0.861～1.041的等效荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，實(shí)測(cè)應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)均lt;1.0，卸載后結(jié)構(gòu)變形基本恢復(fù)，因此該壩頂交通橋試驗(yàn)跨現(xiàn)階段滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載正常使用要求。由于應(yīng)變測(cè)試校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.975，接近1.0，說明該橋現(xiàn)階段仍有強(qiáng)度不足風(fēng)險(xiǎn)，建議定期對(duì)該橋開展檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)工作。

（2）采用Midas Civil軟件與Civil Designer軟件聯(lián)合方法進(jìn)行加載車方位布置，在滿足控制截面荷載效率的同時(shí)能夠?qū)Ψ强刂平孛鎯?nèi)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控，保證布載方案的科學(xué)合理性，很大程度地提高了方案設(shè)計(jì)工作效率，也保障了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全。

（3）橋梁靜載試驗(yàn)檢測(cè)作為最直接有效評(píng)價(jià)橋梁整體承載能力的檢測(cè)手段，在公路橋梁領(lǐng)域使用廣泛，但水運(yùn)工程領(lǐng)域缺少相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范與依據(jù)。建議在水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范修編中，將交通橋靜載試驗(yàn)流程規(guī)范化，進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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