通过荷载试验对高墩大跨度混凝土桥性能的分析

文/周群

1 前言

高墩大跨度桥梁，由于其自身具有较好的受力性能、大跨度能力、工程造价低等特点，被广泛运用在西部地区。但是随着使用时间的增加和外界荷载不断作用下，会出现梁体破裂、预应力减小、下挠过大等病害，给桥梁结构的性能和使用安全造成严重的影响。

本文在现有的研究成果基础上，基于实际的工程案例，结合相关的理论知识，通过荷载试验及采用有限元软件Midas-Civil，建立大桥施工-运营分析模型，对高墩大跨度混凝土桥的性能进行分析，探究高墩大跨度混凝土桥的整体性能。

2 工程概况及模型设计

此桥梁工程位于西部偏远山区的高速公路，采用（95+3×150+95）m 的混凝土连续刚构方案，主墩高分别为：65m、125m、140m、45m。运用有限元软件Midas-Civil 建立结构模型，对桥梁整体进行受力分析和性能评估。

在荷载试验前，应该对相关参数进行定义，其中，ε 表示车道折减系数、1+μ 表示活载冲击系数、η 表示活载偏心影响提高系数、ML表示活载效应。车道荷载效应的内力见表1。

表1 各类荷载工况内力信息

续表

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）的相关要求，应当使用极限状态进行荷载效应组合来评估桥梁的正常使用性能，即短期作用效应组合与长期作用效应组合[1]。通常短期效应组合可以用公式（1）计算：

式（1）中：Ssd表示作用短期效应组合的设计值；SGik表示第i 个永久作用效应标准值；φ1j表示第j 个可变作用效应的频域值系数；SQjk表示第j 个可变作用效应标准值[2]。

根据相应的规范取值，实际公式可以化简为：

式（2）中：SG1表示结构一期恒载（除桥面铺装与附属设施外）的重力作用，SG2表示结构二期恒载（桥面铺装与附属设施）的重力作用，SQ1表示汽车荷载效应作用，SQ2表示人群荷载效应作用，SQ3表示温度梯度荷载效应作用[3]。

桥梁在正常使用的情况下的极限状态作用，可用短期一次效应组合来表示。但是实际情况中应该考虑预应力等其他因素对桥梁的影响，可用短期二次效应组合来表示。通常长期效应组合可以由公式（3）计算：

式（3）中：SId表示长期效应组合设计值，φ2j表示第j 个可变作用效应的准永久值系数，根据相应的规范取值[4]，实际公式可以化简为：

3 荷载试验及评价

静载试验中，用确定好的偏载系数、挠度校验系数、应变校验系数在荷载作用下，对主梁测试截面的静力挠度、静力应变，墩-梁结合部位截面的结构变位，墩底测试截面的静力应变，主梁梁体的新生裂缝情况进行试验[5]，以此评估大桥的荷载能力。

3.1 静载试验分析

桥面铺装地层、承台及墩身采用C30 混凝土，主桥桥墩采用C40 混凝土，主桥箱梁采用C50 混凝土，容重都为25kN/m3。全桥结构单元划分为380 个。

现场在对各加载点进行车辆熄火加载，每个加载工况需要进行2 次试验。每次加载试验时，必须保证车辆熄火，原地稳定维持5min。稳定后，采集相应的数据。加载方案为各车道加载车数量分级加载，第一次和第二次加载试验必须间隔10min 以上，才能保证桥梁结构回复形变，保证试验数据的准确性，最终结合有限元模型计算的理论值分析比较[6]。

3.2 应变分析

在3 次静载平行试验设计的荷载作用下，通过静载试验结合有限元软件分析可知，应变实测值除以理论值，其结果就是静载试验加载过程中的应变校验系数，可用公式（5）来表示，各静载试验工况的应变校验系数见表2。

表2 各试验工况的应变校验系数

式（5）中：α 表示应变校验系数；Si表示应变实测值；Sc表示应变理论计算值[7]。

由表2 可知，在各种试验情况下，试验桥梁的应变校验系数大部分数值都比较小，且都在正常的范围之内。说明大桥在加载过程中的形变很小，桥梁的刚度和横向联系较好，处于寿命工作前期，承载能力较强，安全性高。

3.3 挠度分析

不同静载加载试验中，挠度校验系数等于挠度实测值除以理论计算值，具体计算公式：

式（6）中：β 表示应变校验系数；di表示应变实测值；dc表示应变理论计算值。

在不同工况试验中，试验桥梁的应变校验系数为：边跨为0.5L1截面在中载情况下，测点挠度校验系数为0.69，偏载测点挠度校验系数为0.72，平均值为0.71；次边跨跨中截面在中载情况下，测点挠度校验系数为0.685，偏载测点挠度校验系数为0.71，平均值为0.70。

由以上数据可知，在各种试验情况下，试验桥梁的应变校验系数大部分数值都比较小，且都在正常的范围之内，说明大桥在加载过程中的下挠情况较合理，桥梁的刚度和横向联系较好、承载能力较强[8]。

3.4 横向分布分析

在试验设计荷载的作用下，试验桥的横向偏载系数实测值大部分都不大于1.13，静力试验可以充分地反映出大桥的刚度和横向联系较好，处于寿命工作前期，承载能力较强，安全性高。

4 结语

针对高墩大跨混凝土梁桥正常使用性能评价问题，以实际案例为基础，提出基于荷载试验的高墩大跨混凝土梁桥正常使用性能评价方法。通过设计符合该桥结构特点的静、动载荷载工况，并分析各类试验数据，结果表明：荷载试验评定技术相对于其他评估方法更能科学、准确、直观、有效地反映出高墩大跨度混凝土桥的正常使用性能。