混凝土空心板橋剛接拼寬設計及荷載試驗

陳堯三

（華匯工程設計集團股份有限公司）

1 引言

為了有效利用尚能正常運營的老橋且有效提升橋梁的通行能力[1-2]，橋梁拼寬技術在橋梁改造中已是得到廣泛應用[3]。目前，橋梁拼寬的研究主要集中在設計和承載力計算方面[4-6]，對其橫向連接的研究還較少?；炷量招陌鍢蜃钪饕臋M向連接方式是鉸縫連接，但鉸縫是空心板梁橋的薄弱環節，一旦出現開裂，其性能會急劇下降，直接影響橋梁結構的橫向傳力特性，削弱結構整體受力性能。為提高拼寬橋梁的橫向連接性能，本文以實際工程為背景，提出采用剛性連接替代鉸縫，并對剛接空心板進行了設計。針對拼寬后的橋梁進行了荷載試驗，以對其整體受力性能進行評估。所得結果對拼寬橋梁的設計具有指導意義。

2 工程概況

后童橋位于浙江紹興楊漁線老路拼寬段，老橋上部結構采用2m×20m 簡支先張法空心板，下部結構橋臺采用肋板臺。拼寬橋梁上部結構采用4 片2m×20m 簡支預應力混凝土空心板。橋面連續，下部結構橋臺一字臺。橋墩均采用樁柱式，墩臺均采用樁基礎。老橋設計荷載為汽-20。為提高拼寬部分與老橋的橫向聯系，避免鉸縫連接造成的后期病害，拼寬部分空心板采用剛性連接方式。圖1 為橋梁拼寬改造的結構示意圖。

3 剛接空心板設計計算

為提高混凝土空心板的受力性能，提出拼寬部分采用后張法預應力混凝土空心板，取消了傳統鉸縫構造，采用剛性連接，其截面形式如圖2所示。

圖2 剛接空心板截面形式

空心板混凝土強度等級為C50，預應力鋼絞線抗拉強度標準值1860MPa。采用橋梁博士V3.6.0.橋梁分析專用有限元程序，并以《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）為標準，按照A類預應力混凝土構件進行驗算。單梁計算有限元模型如圖3所示。

圖3 單梁有限元模型

圖4給出了荷載基本組合下空心板正最大彎矩和抗彎承載力。最大彎矩出現在跨中位置為2428.13kN·m，空心板最大抗彎承載力為3716.64kN·m?？招陌甯鹘孛鎻澗刂稻∮谄淇箯澇休d力，正截面抗彎承載力滿足規范要求。

圖4 空心板最大彎矩及其抗力圖（kN·m）

表1 和表2 進一步給出了荷載短期效應組合和長效應組合下混凝土應力值。由表可知，在正常使用極限狀態下，空心板上下緣的應力在允許范圍內，結構抗裂性滿足規范要求。

表1 短期效應組合抗裂驗算表

表2 長期效應組合抗裂驗算表

持久狀況的結構計算采用荷載的標準組合，空心板混凝土應力計算結果如表3 所示。由表可知，空心板上下緣混凝土應力均小于允許值。最大預應力筋拉應力1180MPa，表明結構應力滿足規范要求。

表3 持久狀況混凝土應力驗算表

4 靜載試驗

4.1 計算分析

由于后童橋為簡支梁橋，采用Midas Civil 中對其中1跨進行靜力分析。為有效反映橋梁橫向受力特點，采用梁格法建立有限元模型，兩端邊界條件為簡支，如圖5所示。

圖5 橋梁有限元模型

圖6為設計移動荷載作用下的彎矩包絡圖。由圖可知，在移動荷載作用下，混凝土空心板最大彎矩為332.5kN·m，出現在簡支梁跨中。

圖6 移動荷載工況橋梁彎矩包絡圖

依據橋跨結構的活載內力包絡圖并結合現場試驗條件，確定第2跨跨中截面為測試截面。

4.2 測點布置

在測試截面每片梁底布置1個應變測點和撓度測點，分別布置于空心板梁底緣。全橋共布置應變和撓度測點各12個，如圖7和圖8。為消除試驗過程中環境溫度變化的影響，按要求布置溫度補償應變片。豎向撓度采用全站儀觀測。除跨中截面外，在簡支梁兩端分別布置相同數量的位移測點，用于修正試驗過程中支座變形對撓度測試結果的影響。

圖7 應變布置示意圖（單位：cm）

圖8 測試截面撓度測點布置（單位：cm）

4.3 加載工況

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011），靜力試驗荷載的效率系數ηq取值范圍為0.95≤ηq≤1.05。

式（1）中：SS為靜力試驗荷載作用下，跨中最大計算彎矩，kN·m；S'為設計荷載下跨中控制截面最不利彎矩值，kN·m；μ為沖擊系數值。

為保證測試截面加載效率達到規范要求，根據Midas Civil計算分析，采用4輛總重為380kN的加載車進行加載。試驗車輛按跨中截面彎矩最不利位置進行布載，橫橋向分為中載和偏載兩個工況。如圖9所示。

圖9 試驗荷載橫橋向偏載布置（單位：cm）

各工況中試驗荷載對測試截面產生的荷載效應和標準荷載效應的最大值如表4所示。

表4 荷載試驗效應與設計荷載效應的對比

5 靜載試驗結果

5.1 應變

圖10 是兩種工況下各混凝土空心板梁底應變理論值和實測值的對比。由圖可知，無論是中載還是偏載工況，空心板梁應變分布與荷載作用形式較為吻合，各梁應變變化平順，在拼寬處未出現明顯突變，拼寬橋梁橫向聯系可靠，結構整體受力較好。

圖10 應變理論值與試驗值比較

在中載荷載工況下，空心板最大實測應變為79με，出現在5#梁。各梁應變校驗系數為0.50-0.69。偏載工況最大應變出現在邊梁，為67με，各梁應變校驗系數為0.61～0.83。在卸載后，橋梁相對殘余應變最大為5.43%。應變測試結果表明，拼寬的4片矮箱梁與原有空心板的強度均滿足設計要求。

5.2 撓度

圖11 是兩種工況下各混凝土空心板豎向撓度理論值和實測值的對比，可知在中載工況，老橋6#、7#、8#空心板的撓度較大，分別為7.2mm、6.9mm、6.6mm，但仍小于理論值，中載撓度校驗系數0.53～0.76。偏載工況最大撓度也出現在邊梁，為6.5mm，各梁撓度校驗系數為0.61～0.83。卸載后，橋梁相對殘余應變最大為5.56%。撓度測試結果表明，拼寬橋梁整體處于彈性工作狀態，其剛度滿足設計要求。

圖11 應變理論值與試驗值比較

6 結語

本文以實際工程為背景，提出采用剛性連接替代鉸縫，并對剛接空心板進行了設計。制定了橋梁荷載試驗方案。通過現場荷載試驗對拼寬橋梁的整體受力性能進行了評估?？梢缘玫揭韵陆Y論。

①提出的剛接空心板的承載能力和抗裂性能滿足規范要求。

②試驗測得空心板梁應變和撓度與荷載作用形式較為吻合，各梁應變和撓度變化平順，在拼寬處未出現明顯的突變，表明橋梁橫向聯系可靠，結構整體受力較好。

③實測應變校驗系數在0.50～0.83 之間，撓度校驗系數為0.47～0.78，表明結構強度和剛度均滿足設計要求。

④與傳統混凝土鉸縫相比，剛性連接橫向受力性能良好，且可避免鉸縫后期開裂等病害，具有較好的技術優勢。