班新林

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京　100081)

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王萬線松花江特大橋( 60 +9×96 +60) m剛構(gòu)連續(xù)梁靜載試驗研究

班新林

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081)

摘要:哈爾濱王(崗)萬(樂)線松花江特大橋采用( 60 + 9×96 + 60) m剛構(gòu)連續(xù)梁橋式，結(jié)構(gòu)新穎，是跨越松花江航道的重要橋梁。針對結(jié)構(gòu)特點開展靜載試驗研究，試驗內(nèi)容包括主梁混凝土應(yīng)力測試、剛構(gòu)墩混凝土應(yīng)力測試、跨中撓度測試和梁端轉(zhuǎn)角測試。測試結(jié)果表明，應(yīng)力、應(yīng)變、撓度和轉(zhuǎn)角校驗系數(shù)均＜1，換算靜活載撓跨比滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，滿足安全運營的需要。

關(guān)鍵詞:剛構(gòu)連續(xù)梁連續(xù)梁靜載試驗校驗系數(shù)混凝土應(yīng)力

1　大橋概況

哈爾濱王萬線松花江特大橋( 60 + 9×96 + 60) m剛構(gòu)連續(xù)梁位于哈爾濱鐵路王崗—萬樂區(qū)間，是哈爾濱鐵路樞紐新建王萬線主橋部分，全長985. 55 m，共11孔，第6跨為剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，其余跨為連續(xù)梁。大橋中心里程為K18 + 456，于2007年8月20日建成通車。橋跨布置見圖1。

圖1松花江特大橋橋跨布置(單位: m)

該橋設(shè)計活載為中活載，位于直線平坡段，雙線無縫線路，線間距4 m。剛構(gòu)連續(xù)梁兩端設(shè)有鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，橋上線路等級Ⅰ級，軌道采用60 kg/m鋼軌，軌底至梁頂?shù)理暮穸葹?0 cm。二期恒載110 kN/m。大橋跨越松花江，橋位處航道等級為Ⅲ-( 2)級。

剛構(gòu)連續(xù)梁為單箱單室直腹板箱梁，中支點附近梁高7. 2 m，端支點及跨中附近梁高3. 9 m，梁高以二次拋物線變化。剛構(gòu)連續(xù)梁43#～47#，50#～54#墩為活動支座，支座類型均采用鉸軸滑板鋼支座。橋墩類型均為鋼筋混凝土墩，其中48#，49#墩為剛構(gòu)墩，基礎(chǔ)全部為鉆孔樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1. 25 m。

松花江特大橋的主橋橫跨松花江主航道，2007年建成通車，至今尚未進行檢定評估試驗。對大橋進行靜載試驗，可以檢定其運營性能，掌握結(jié)構(gòu)特點，為大橋的養(yǎng)護維修提供依據(jù)。

2剛構(gòu)連續(xù)梁的特點

剛構(gòu)連續(xù)梁同時涵蓋了混凝土剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的基本特征，48#和49#墩使用墩梁固結(jié)代替了連續(xù)梁的固定支座，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一些新的特點。

2. 1剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋?qū)Ρ确治?/p>

將剛構(gòu)連續(xù)梁的兩個剛構(gòu)墩改為支座，形成一個普通連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，并在第6跨布滿均布荷載。剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋計算結(jié)果對比見圖2。由圖2可知，剛構(gòu)連續(xù)梁橋相對于普通連續(xù)梁橋，跨中撓度及主梁彎矩均較小。這是因為剛構(gòu)墩與主梁固結(jié)，橋墩承擔一部分彎矩。

2. 2剛構(gòu)墩的剛度對結(jié)構(gòu)的影響分析

將剛構(gòu)墩的剛度調(diào)整至原剛度的50%，80%，150%和200%，將第6跨布滿均布荷載。剛構(gòu)墩剛度變化對主梁的影響見圖3。由圖3( a)可知，隨著剛構(gòu)墩的剛度增加，跨中撓度減小，越遠離加載跨，影響越小。由圖3( b)可知，主梁彎矩隨著剛構(gòu)墩剛度的增大而減小。因此在剛構(gòu)連續(xù)梁的設(shè)計過程中，可以綜合考慮墩臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和梁體設(shè)計需求，選擇合適的剛構(gòu)墩剛度。

圖2剛構(gòu)連續(xù)梁橋與普通連續(xù)梁橋計算結(jié)果對比

圖3剛構(gòu)墩剛度變化對主梁的影響

3　試驗方案

靜載試驗測試內(nèi)容包括主梁混凝土應(yīng)力、剛構(gòu)墩應(yīng)力、主梁撓度和梁端轉(zhuǎn)角。

3. 1混凝土應(yīng)力測點布置

針對剛構(gòu)連續(xù)梁的受力特點，全橋選擇6個應(yīng)力測試截面，分別是A1(第1跨0. 4L處)、A2( 44#墩處梁體)、A3(第2跨跨中)、A4( 48#墩處梁體)、A5(第6跨跨中)和A6( 48#墩的墩身變截面處)。主梁每個測試截面，在頂板、底板及腹板沿截面高度均勻布設(shè)應(yīng)變測點，見圖4。

圖4測試截面A5應(yīng)變傳感器布置(單位: cm)

測試截面A6布置在剛構(gòu)墩變截面處，也是活載作用下應(yīng)力最大處。在橋墩面向大、小里程側(cè)均勻布設(shè)5個應(yīng)變測點，見圖5。

圖5測試截面A6應(yīng)變傳感器布置(單位: cm)

3. 2變形及梁端轉(zhuǎn)角測點布置

1)豎向撓度

主橋撓度測點布置在第1，2，5，6跨的跨中，布置在橋面單線加載側(cè)(下游側(cè)梁體翼緣)。

2)梁體傾角

使用傾角儀測試加載過程中梁體傾角，測點布置在48#墩梁墩固結(jié)處，在支點橫隔板的進人孔內(nèi)側(cè)墻壁上，上、下游各一個。

3. 3加載輪位

考慮試驗加載要求，最終加載的是輪位1，3，4，5，8，9，10，加載工況分別為截面A1最大正彎矩、截面A3最大正彎矩、截面A6最大負彎矩、截面A5最大正彎矩、截面A6最大正彎矩偏載、截面A6最大負彎矩偏載和截面A4最大負彎矩偏載。

4　試驗結(jié)果

以截面A5內(nèi)力最大加載工況為例，分析剛構(gòu)連續(xù)梁的受力狀態(tài)。即在輪位5加載時，計算分析測試截面A5混凝土應(yīng)力、測試截面A6應(yīng)變、第6跨跨中撓度及48#墩處主梁轉(zhuǎn)角。

在設(shè)計活載作用下(考慮沖擊效應(yīng)和雙線折減系數(shù))，測試截面A5的彎矩為72 971. 2 kN·m，測試截面A6的彎矩為61 791. 9 kN·m，第6跨跨中撓度為－65. 68 mm。在輪位5加載時，測試截面A5的彎矩為49 516. 0 kN·m，測試截面A6的彎矩為32 341. 4 kN·m，第6跨跨中撓度為－40. 64 mm。因此，相應(yīng)的加載效率分別為67. 9%，52. 4%和61. 9%。

4. 1主梁應(yīng)力

混凝土主梁應(yīng)力計算式為

式中:σ為計算位置的混凝土應(yīng)力，MPa; M為計算截面的彎矩，kN·m; y為計算位置至截面形心的距離，m; I為計算截面的慣性矩，m4。

輪位5加載時測試截面A5的頂板、底板應(yīng)力見表1。

表1輪位5加載下測試截面A5的頂板、底板應(yīng)力MPa

由表1可知，根據(jù)測試截面A5的換算截面特性，計算得到底板混凝土理論拉應(yīng)力為4. 46 MPa，頂板理論壓應(yīng)力為－3. 20 MPa。經(jīng)過三次重復(fù)加載循環(huán)，截面A5頂板和底板應(yīng)力仍保持一致。將三次加載的實測結(jié)果進行平均，頂板測點中最大壓應(yīng)力為－1. 44 MPa，應(yīng)力校驗系數(shù)為0. 45;底板測點中最大拉應(yīng)力為3. 11 MPa，應(yīng)力校驗系數(shù)為0. 70。二者校驗系數(shù)均＜1，表明結(jié)構(gòu)受力安全。實測值與理論值的差別主要是因為實際混凝土彈性模量大于設(shè)計值。

A5截面腹板實測應(yīng)力與測點高度的關(guān)系見圖6。由圖6可知，A5腹板測點混凝土應(yīng)力與其距離底緣的高度呈良好線性關(guān)系，表明結(jié)構(gòu)受力符合平截面假定。分析得到實測截面中性軸高度為2. 286 m，大于理論值2. 061 m，這是由于軌道結(jié)構(gòu)部分參與結(jié)構(gòu)受力和截面尺寸施工誤差所致。

圖6 A5截面腹板實測應(yīng)力與測點高度的關(guān)系

4. 2剛構(gòu)墩應(yīng)力

靜載試驗輪位作用下，測試截面A6表面應(yīng)變由軸壓力N、面內(nèi)彎矩M1(彎矩方向垂直主梁縱向軸線)和面外彎矩M2(彎矩方向平行主梁縱向軸線)共同作用下產(chǎn)生的。計算公式為

式中: W1為截面面內(nèi)抵抗矩，W2為截面面外抵抗矩，A為截面面積。

表2輪位5加載時測試截面A6的實測應(yīng)變　　×10－6

在輪位5加載時，考慮截面配筋情況、彎矩和軸力，確定A6截面中心軸位置，不考慮拉區(qū)混凝土作用，計算得到王崗側(cè)鋼筋拉應(yīng)變?yōu)?77. 5×10－6，萬樂側(cè)混凝土壓應(yīng)變?yōu)椋?98. 3×10－6。輪位5加載時測試截面A6的實測應(yīng)變見表2。由表2可知，由于輪位5為雙線對稱加載，截面A6沒有面外彎矩的作用，同一側(cè)的測點實測應(yīng)變也比較一致。將三次加載的實測結(jié)果進行平均，王崗側(cè)測點中最大拉應(yīng)變?yōu)?7. 8× 10－6，應(yīng)變校驗系數(shù)為0. 49;萬樂側(cè)測點中最大壓應(yīng)變?yōu)椋?9. 7×10－6，應(yīng)變校驗系數(shù)為0. 45。二者應(yīng)變校驗系數(shù)均＜1。

4. 3變形及轉(zhuǎn)角

在輪位5作用下，第6跨最大撓度為－32. 0 mm，相應(yīng)的理論值為－40. 6 mm，撓度校驗系數(shù)為0. 79。根據(jù)撓度理論值與設(shè)計活載靜撓度的對應(yīng)關(guān)系，實測撓度換算成設(shè)計活載靜撓度為－47. 1 mm，相應(yīng)的撓跨比為1 /2 038。本橋各跨最小梁高與跨度比值為1 /15. 4～1 /24. 6，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中梁高與跨度比值在1 /14～1 /16的預(yù)應(yīng)力混凝土梁豎向撓跨比通常值為1 /1 300，實測豎向撓跨比滿足規(guī)范要求。

在輪位5作用下，梁端轉(zhuǎn)角平均為0. 000 575 rad，相應(yīng)的理論值為0. 000 786 rad，轉(zhuǎn)角校驗系數(shù)為0. 73。由實測梁端轉(zhuǎn)角推算第6跨跨中下?lián)现禐?7. 6 mm，轉(zhuǎn)角換算下?lián)现蹬c實測撓度值一致。

5　結(jié)論

以第6跨跨中內(nèi)力最大加載工況為例得到以下結(jié)論:①主梁測試截面頂板和底板應(yīng)力校驗系數(shù)均＜1，腹板測點混凝土應(yīng)力與其距離底緣的高度呈良好線性關(guān)系，表明結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，并符合平截面假定;②實測剛構(gòu)墩應(yīng)變分布規(guī)律與理論分析結(jié)果保持一致，應(yīng)變校驗系數(shù)＜1;③實測撓度和梁端轉(zhuǎn)角校驗系數(shù)均＜1，換算設(shè)計靜活載撓跨比滿足規(guī)范要求，梁端轉(zhuǎn)角推算跨中撓度值與實測值比較一致。結(jié)構(gòu)受力安全，滿足正常運營需求。

參考文獻

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(責任審編鄭冰)

Static load test study on ( 60 +9×96 +60) m rigid frame continuous girder of Songhua river bridge on Wanggang-Wanle railway

BAN Xinlin

( China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:A novel structure of Songhua River bridge on Haerbin W anggang-W anle railway with a rigid frame continuous girder type，it is an important bridge across the Songhua river waterway．T he static load test was carried out according to the structure characteristics．T he test included the concrete stress test on beam and pier，deflection test on middle span，and the angle test on the conjection of beam and pier．T he results show that the testing coefficient of stress，strain，deflection and angle was less than 1．0．T he conversion static load deflection span ratio meets the requirements of the specification．T he structure is still in the elastic state，and meets the need of safe operation．

Key words:Rigid frame continuous girder; Continuous beam; Static load test; T esting coefficient; Concrete stress

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0027-04

作者簡介:班新新( 1984—)，男，助理研究員，博士研究生。

收稿日期:2015-10-20;修回日期: 2015-12-15

中圖分類號:U448．21+5; U448．23

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．06