大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋荷載試驗(yàn)分析

■吳明峰

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運(yùn)重點(diǎn)試驗(yàn)室，福州 350004）

1 工程概況

某大橋跨越麻陽(yáng)溪，全長(zhǎng)320m，分離式雙幅橋梁，總寬度29.5m， 橋型布置為 (82+146+82)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，左、右幅均采用單箱單室變截面型式。主墩采用實(shí)體墩，橋臺(tái)采用肋式臺(tái)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。荷載設(shè)計(jì)等級(jí)為城-A 級(jí)。

通過(guò)對(duì)該新橋進(jìn)行交工靜載動(dòng)載試驗(yàn)， 評(píng)價(jià)該橋結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

橋跨結(jié)構(gòu)布置圖和主跨橫截面圖分別見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 橋跨結(jié)構(gòu)布置圖(單位：cm)

圖2 主跨橫截面圖(單位：cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜載試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和病害情況， 選擇左右幅第1 跨和第2 跨正彎矩截面及1 號(hào)墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面進(jìn)行各試驗(yàn)工況，各試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 靜載試驗(yàn)加載工況

2.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

(1)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：第1 跨最大正彎矩截面和第2跨跨中截面及1 號(hào)墩支點(diǎn)截面箱梁粘貼膠基應(yīng)變片，采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集。 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖3 和圖4 所示。

(2)撓度測(cè)點(diǎn)布置：第1 跨最大正彎矩截面和第2跨跨中截面的橋面兩側(cè)布置塔尺， 采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀測(cè)量。撓度測(cè)點(diǎn)如圖5 所示。

圖3 第1 跨和第2 跨控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖4 1 號(hào)墩支點(diǎn)控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖5 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

2.1.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3.1 橋梁承載能力的評(píng)定方法

(1)校驗(yàn)系數(shù)

校驗(yàn)系數(shù)η 是評(píng)定結(jié)構(gòu)工作狀況， 確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，可以從中判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的工作狀態(tài)。

實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)?是試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的應(yīng)力或撓度之比，它反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

η 值越小說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大，但η 值不宜過(guò)大或過(guò)小， 如η 值過(guò)大說(shuō)明組成結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度可能較低，結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差，剛度較低等。η 值過(guò)小可能說(shuō)明組成結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際強(qiáng)度及彈性模量較大，梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力， 支座摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的有力影響， 以及計(jì)算理論或簡(jiǎn)化的計(jì)算圖式偏于安全等等。另外，試驗(yàn)加載物的稱量誤差、儀表的觀測(cè)誤差等對(duì)η 值也有一定的影響。

參照 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》 (1982 年10 月)，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η 的常用值見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的常用值表

(2)相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)

殘余變位(或殘余應(yīng)變)按下列下公式計(jì)算：

總變位(或總應(yīng)變)St＝Sl－Si；

彈性變位(或彈性應(yīng)變)Se＝Sl－Su；

殘余變位(或殘余應(yīng)變)Sp＝St－Se＝Su－Si；

式中：Si——加載前測(cè)值；

Sl——加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值；

Su——卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值。

引入相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。

加州鱸魚(yú)苗培育池塘面積為2.3畝和1.8畝的兩口土池塘，平均水深0.8m。據(jù)湯老板介紹，5月初加州鱸魚(yú)苗有少量沿池塘邊獨(dú)自游動(dòng)，體型瘦小，幾天后數(shù)量逐漸增多，并看見(jiàn)魚(yú)苗頭部呈白色，每天有幾十尾死亡，起初以為是細(xì)菌性疾病，潑灑了兩次二氧化氯消毒藥，死亡量反而逐步增加，吃食量也降低，這種情況持續(xù)了幾天仍未好轉(zhuǎn)。現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)檢測(cè)各指標(biāo)：pH值為7.6，溶氧4.5mg/L，氨氮0.3mg/L，亞硝酸鹽0.01mg/L，硫化氫＜0.05mg/L，水溫19.5℃，水色為黃褐色，水質(zhì)偏肥。

相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)按下式計(jì)算：

式中：S′p——相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)，Sp、St意義同前。

2.1.4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

(1)在試驗(yàn)荷載作用下，左幅第2 跨跨中正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.55，左幅第1 跨最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.55； 右幅第2 跨跨中正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.56， 右幅第1 跨最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.58，均低于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》 (1982 年10 月) 規(guī)定的常值范圍 (0.70～1.05)；最大相對(duì)殘余撓度為12.0%，低于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》 (1982 年10 月)規(guī)定常值(20%)。各截面撓度值及校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表3。

(2)在試驗(yàn)荷載作用下，左幅第2 跨跨中正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.70～0.73， 左幅第1 跨最大正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.60～0.61； 右幅第2 跨跨中正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.73～0.74， 右幅第1 跨最大正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.60～0.61。 各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均低于或處于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》 (1982 年10 月)規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)，相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.1%， 均小于規(guī)定值20%。 左幅1 號(hào)墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.53～0.60， 相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為6.9%； 右幅1 號(hào)墩支點(diǎn)負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.57， 相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為5.3%。 各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》 (1982 年10 月)規(guī)定的常值范圍(0.7～1.05)，相對(duì)殘余應(yīng)變均小于規(guī)定值20%。

各截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值及校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表4和表5。

表3 第1 跨和第2 跨控制截面撓度分析表

表4 第1 跨和第2 跨控制截面應(yīng)變分析表

表5 1#墩支點(diǎn)控制截面應(yīng)變分析表

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

(1)自振特性試驗(yàn)。

在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。自振特性試驗(yàn)橋面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 自振特性試驗(yàn)橋面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

(2)無(wú)障礙行車試驗(yàn)。

在無(wú)障礙行車速度20km/h、30km/h 和40km/h 狀況下，測(cè)試橋梁第2 跨跨中截面沖擊系數(shù)。

2.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

(1)自振特性試驗(yàn)結(jié)果

橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)豎向1 階自振頻率及振型圖和理論值比較如表6 和圖7 所示。

圖7 實(shí)測(cè)與理論振型比較

表6 自振頻率實(shí)測(cè)與理論值比較

自振特性試驗(yàn)結(jié)果表明，左幅和右幅主橋?qū)崪y(cè)豎向1 階自振頻率分別為1.02Hz 和1.07Hz， 略大于理論計(jì)算值0.77Hz，實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型一致。

(2)無(wú)障礙行車試驗(yàn)結(jié)果

在橋面無(wú)障礙的情況下，采用1 輛載重汽車(單車總重約45t)以20km/h、30km/h 和40km/h 不同的速度在橋上行駛，測(cè)得第2 跨跨中的沖擊系數(shù)和動(dòng)撓度見(jiàn)表7，跨中截面動(dòng)位移時(shí)程實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖8。

圖8 無(wú)障礙行車跨中截面動(dòng)應(yīng)變時(shí)程

表7 第2 跨無(wú)障礙行車試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可知， 在單車 (重約45t) 不同行車速度20km/h、30km/h 和40km/h 作用下， 左幅換算成標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載的沖擊系數(shù)分別為1.004、1.004 和1.005； 右幅換算成標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載的沖擊系數(shù)分別為1.004、1.004和1.009。 按 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 (JTG D60-2004)中沖擊系數(shù)μ 的計(jì)算公式計(jì)算：當(dāng) 時(shí)，則1+μ=1+(0.1716lnf-0.0157)=1.05(這里f 取橋面豎向一階實(shí)測(cè)頻率)。實(shí)測(cè)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載的最大沖擊系數(shù)為1.009，小于規(guī)范計(jì)算值(1+)=1.05， 橋梁沖擊效應(yīng)不明顯。

3 結(jié)論

(1)靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)各截面撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均低于或處于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》規(guī)定的常值范圍；最大相對(duì)殘余撓度和應(yīng)變均低于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》規(guī)定常值(20%)。

(2)動(dòng)力荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：該橋左右幅主橋?qū)崪y(cè)豎向1 階自振頻率為1.02Hz 和1.02Hz，均大于理論計(jì)算值0.77Hz， 實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型一致。 實(shí)測(cè)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載的最大沖擊系數(shù)為1.009，小于規(guī)范計(jì)算值(1+)=1.05，橋梁沖擊效應(yīng)不明顯。

(3) 綜上所述， 橋跨結(jié)構(gòu)承載能力滿足城-A 級(jí)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。