简支转连续小箱梁单梁静载试验方法研究

韦宗志，王希瑞，唐洪泉

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，对交通运输基础设施的需求日益增加。桥梁作为交通网络的重要连接枢纽，需要承担日益增加的交通量及荷载[1]。简支转连续小箱梁结构由于其具有良好的受力特点、较快的施工速度、成熟的施工技术等优势，被广泛应用于桥梁的建设中。在施工过程中，由于受到各种因素的影响，可能会出现与设计不一致的缺陷[2]。单梁静载试验作为评价施工质量的有效手段，根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)判断其是否满足设计要求[3]。

目前，对简支梁桥的单梁进行了大量的静载试验研究[4-6]。简支转连续小箱梁在体系转换前后具有不同的受力特点，对这种类型的桥梁进行单梁静载试验时，需要将体系转换后的受力状态等效成相应的荷载施加到单梁上。然而，针对简支转连续小箱梁单梁静载试验的试验方法研究相对较少。

本文依托柳州经合山至南宁高速公路的长联特大桥，提出简支转连续小箱梁单梁静载试验的试验方法，基于应力等效原则综合考虑了不同阶段的荷载效应。

1 工程概况

长联特大桥位于柳州经合山至南宁高速公路。该桥梁采用左右分幅结构，上部结构均采用先简支后连续预应力混凝土小箱梁，桥墩采用矩形盖梁柱式墩或矩形实体墩，桥台采用桩柱式桥台，基础采用钻孔灌注桩基础。该桥左线全长1 125.00 m，桥跨组合为8×(3×40)m+(4×40)m；右线全长1 205.00 m，桥跨组合为6×(3×40)m+3×(4×40)m。该桥的设计荷载等级为公路-Ⅰ级，设计时速为100 km/h。左线桥面总宽度为13.00～15.40 m，右线桥面总宽度为13.00 m。本文依托的工程选取第26跨外边梁为试验梁，如图1、图2所示。

图1 标准横断面图(cm)

(a)梁端截面构造图

(b)跨中截面构造图

2 基于有限元和等效应力原则的试验方法研究

2.1 有限元模型的建立

简支转连续小箱梁在施工过程中，首先将预制好的裸梁安装在临时支座上，此时桥梁处于简支的受力状态；然后现浇两片梁之间的现浇带，拆除临时支座，完成体系转换，桥梁的受力特点发生改变。由于单梁静载试验往往是在小箱梁预制后还未安装就位前进行的，试验时需按照桥梁体系转换后的实际运营状态进行加载。

为了准确地确定试验控制荷载以及合理的加载方案，根据简支转连续小箱梁的主要受力阶段建立三种类型的Midas Civil有限元模型，分别是小箱梁裸梁模型M-1、包含一半湿接缝和横隔板现浇带的小箱梁单梁模型M-2以及整联的单梁模型M-3，如图3所示。其中，小箱梁裸梁模型M-1与拟加载的试验梁完全一致。

图3 单梁有限元模型图

2.2 基于等效应力原则的试验荷载确定

预制试验梁在架设就位后，需要承受不同施工阶段的荷载。本文分别建立有限元模型M-1、M-2及M-3，用于计算不同阶段的荷载产生的荷载效应。并根据等效应力原则，确定在M-1裸梁模型上控制荷载。等效应力原则就是通过在M-1模型上调整施加的荷载，使箱梁底缘应力保持不变，此时得到的荷载效应即作为测试截面的控制荷载效应。

M-1模型为裸梁模型，用于计算湿接缝现浇部分和横隔板现浇部分对跨中截面产生的弯矩效应。横隔板现浇自重G1根据实际位置以集中荷载的形式施加到模型上，产生的跨中最大弯矩为M1=76.23kN·m。翼缘板湿接缝现浇部分自重G2以均布荷载作用在主梁，产生的跨中最大弯矩为M2=368.55kN·m。

M-2模型在M-1模型基础上，建立了湿接缝现浇部分和横隔板现浇部分，主要用于分析梁端现浇部分G3产生的荷载效应。将梁端现浇部分以均布荷载施加在M-2模型上，得到跨中弯矩效应M3′=-20.72kN·m，箱梁底缘应力σ3=-0.03MPa。由于实际加载的试验梁是M-1模型，根据等效应力原则，在M-1模型上施加-0.11kN·m的均布荷载，使箱梁底缘应力达到σ3=-0.03MPa，此时跨中弯矩为M3=-20.6kN·m。

M-3模型是在M-2模型基础上建立的连续梁单梁模型，混凝土现浇层、沥青桥面铺装和防撞墙以均布荷载G4施加在单梁模型上，得到跨中最大弯矩为M4′=1 290.70kN·m，箱梁底缘应力为σ4=1.94MPa。根据梁底应力相等的原则，在M-1模型施加均布荷载，得到跨中弯矩M4=1 266.30kN·m。同时，在M-3模型上计算车辆荷载G5产生的弯矩效应。依据桥梁横断面布置、主梁截面尺寸以及车道数量，采用刚接板梁法计算试验梁的荷载横向分布系数，得到车辆荷载产生的跨中弯矩为M5′=2 943.01kN·m，箱梁底缘应力为σ5=4.43MPa。同样，根据梁底应力相等的原则，得到M-1模型中跨中弯矩为M5=2 886.03kN·m。

综合考虑每个阶段产生的荷载效应作为试验荷载的理论依据，通过将M-1、M-2及M-3模型分析得到的二期恒载和移动荷载产生的跨中弯矩效应进行组合，得到本文单梁静载试验跨中截面控制弯矩为4 576.51kN·m。

3 单梁静载试验

3.1 加载方案

《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/TJ21-01-2015)对荷载试验的荷载效率ηq规定如式(1)所示。

(1)

式中：Ss——试验荷载在控制截面产生的最大弯矩效应值；

S——控制荷载在控制截面产生的最大弯矩效应值；

μ——规范取用的冲击系数。

对于交竣工荷载试验，规范规定荷载效率ηq取值范围是0.85～1.05。

试验加载采用长度为12m的钢筋堆载，布置在跨中12m长度范围内，加载钢筋每捆重量为2 850kg。加载布置如图4所示。

图4 加载示意图(cm)

经过计算，共需要加载20捆钢筋，试验荷载产生的弯矩为4 599.50kN·m，此时的加载效率ηq为1.005，满足规范的要求。为了保证加载过程中桥梁结构的安全，采用分级加载的方式进行加载。本次加载共分为7个工况，具体情况如表1所示。

表1 分级加载试验统计表

3.2 测点布置

本次单梁静载试验选取跨中截面(L/2)、四分点截面(L/4、3L/4)及支点截面进行测试。跨中截面布置应变和位移测点；四分点截面布置位移测点；支点截面布置位移测点进行支座压缩测试。具体的测点布置如图5所示。图中 “▃”表示应变测点，“▲”表示位移(挠度)测点。

(a)L/2截面应变和挠度测点布置

(b)L/4、3L/4、支点截面挠度测点布置

3.3 应变测试结果

当试验荷载全部施加在单梁上时，单梁L/2截面应变实测值和计算值如表2所示。

表2 满载条件下跨中截面应变试验值与理论值对比表

从表2中可以看出，单梁跨中截面各测点的应变试验值均小于理论计算值，校验系数变化范围是0.52～0.73，表明试验梁的强度满足设计要求。各测点的相对残余应变值在2%～10%之间，不超过规范要求的20%，说明单梁结构处于弹性工作状态。箱梁左右两侧均布置了应变测点，沿梁高度变化的应变分布分别如图6和图7所示。

图6 箱梁左侧沿梁高应变分布拟合图

图7 箱梁右侧沿梁高应变分布拟合图

由图6和图7可以看出，沿箱梁高度范围内，左、右两侧应变均呈线性变化趋势，说明截面受力特点符合平截面假定。将趋势线进行线性拟合，左、右两侧中性轴高度分别为1.356 3m和1.332 6m，而理论计算值为1.335 8m。实测值与理论值基本吻合，也可以说明单梁处于弹性工作状态。

3.4 挠度测试结果

当试验荷载全部施加在单梁上时，单梁各截面的挠度实测值和计算值如表3所示。由表3可以看出，挠度的校验系数范围在0.55～0.69之间，满足规范中<1的要求，试验梁结构的刚度符合设计要求。各测点的相对残余挠度值在3%～10%之间，不超过规范要求的20%，也可以说明单梁结构处于弹性工作状态。从图8中可以看出，沿梁长度方向，实测挠度变化曲线无异常值，与理论计算挠度曲线变化规律一致。

表3 满载条件下跨中截面挠度试验值与理论值对比表

图8 试验梁挠度实测值和计算值曲线图

4 结语

本文依托柳州经合山至南宁高速公路的长联特大桥，提出简支转连续小箱梁单梁静载试验的试验方法，得到的主要结论如下：

(1)针对简支转连续小箱梁单梁静载试验控制荷载的确定方法展开了理论研究，利用MidasCivil软件建立模型，考虑了不同受力阶段的荷载效应，进而基于等效应力原则确定试验的控制荷载。

(2)跨中应变校验系数变化范围是0.52～0.73，满足规范中<1的要求；相对残余应变值在2%～10%之间，不超过规范规定的20%，且实测中性轴与理论中性轴基本吻合，说明试验单梁的强度满足设计要求，加载过程中处于弹性工作阶段。

(3)单梁L/4截面、L/2截面、3L/4截面各测点的挠度校验系数范围是0.55～0.69，测点的相对残余挠度值在3%～10%之间，说明试验单梁的刚度符合设计要求。