大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋荷載試驗研究

■池毓偉

（福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州350008）

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋荷載試驗研究

■池毓偉

（福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州350008）

本文以一座新建的大跨徑某海峽大橋的通航主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋為例，對其荷載試驗進行研究。研究結(jié)果表明，在試驗荷載作用下，測試截面的應(yīng)變、撓度的校驗系數(shù)及相對殘余變形均滿足“規(guī)程”要求；橋梁的實測自振頻率大于理論計算值，實測振型與理論振型基本一致；沖擊系數(shù)小于理論計算值；滿足公路-I級設(shè)計荷載等級要求。

靜動載預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)箱梁試驗研究

0 前言

箱梁結(jié)構(gòu)由于抗彎與抗扭性能優(yōu)越以及施工方便等特點，在橋梁建設(shè)中被廣泛采用。目前，橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗是檢驗橋梁承載能力最直接、最有效的方法，荷載試驗分為靜載試驗和動載試驗，通過橋梁靜動載試驗及其對試驗數(shù)據(jù)的綜合分析研究，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，為工程驗收質(zhì)量評價提供技術(shù)支持，也為橋梁后期養(yǎng)護管理提供依據(jù)。本文以某新建的大跨徑海峽大橋的通航主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋為工程案例，對其荷載進行試驗研究。

1 工程背景

某海峽大橋的通航主橋上部結(jié)構(gòu)為四跨（100+2× 180+100m）變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。通航孔（K43+526.235m～K44+086.235）為雙孔單向航道，代表5000噸級海輪為標(biāo)準(zhǔn)。橋跨布置為100+2×180+100m，全長560m。下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。橋面橫向由一個單箱單室直腹板箱梁組成，箱梁頂板寬17m，底板寬8.5m，兩懸臂長4.25m。橋面由箱梁中心線向兩側(cè)設(shè)置1.5%雙向橫坡。箱梁根部箱中心梁高11m（高跨比約1/16.36），跨中及邊跨現(xiàn)澆直線段箱中心梁高3.5m（高跨比約1/ 51.43），其間梁底曲線以1.6次拋物線變化。行車道數(shù)為三車道。設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級。詳見圖1～圖2。

圖1 某海峽大橋示意圖

圖2 某海峽大橋通航主橋立面圖（單位：m）

2 靜動載試驗

2.1 靜載試驗

2.1.1 靜載試驗原則

為使靜載試驗達到既定目的，試驗按以下原則：

（1）為使荷載試驗?zāi)艹浞址从硺蛄航Y(jié)構(gòu)受力特點，靜載試驗效率不宜過小，否則，不能反映出橋梁在設(shè)計荷載下的工作性能；同時，也不宜過大，以防結(jié)構(gòu)局部破壞，因此，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）（以下簡稱“規(guī)程”）的規(guī)定，對交（竣工）驗收荷載試驗效率控制在0.85～1.05之間。否則，應(yīng)控制在0.95～1.05之間。

（2）靜載試驗宜對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、位移和裂縫的控制截面進行；按橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確定試驗工況及測試截面。

（3）正式加載試驗前，應(yīng)對加載橋梁進行預(yù)加載，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)能進入正常工作狀態(tài)。同時檢查整個試驗及測試系統(tǒng)能否正常進行。

（4）試驗荷載應(yīng)分級施加，若結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變較大，應(yīng)實時繪制測點變位或應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線，分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)安全。加載級數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗荷載總量和荷載分級增量確定，可分成3～5級，當(dāng)橋梁資料不全時，應(yīng)增加分級。

（5）加載時間間隔應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)反應(yīng)穩(wěn)定的時間要求，待前一級荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)反應(yīng)相對穩(wěn)定后，方可進入下一級荷載試驗。當(dāng)進行主要控制截面最大內(nèi)力（變形）加載試驗時，分級加載穩(wěn)定時間不少于5min；對尚未投入運營的新橋，首個工況的分級加載穩(wěn)定時間不宜少于15min。

（6）試驗過程中發(fā)生下列情況時，應(yīng)立刻停止加載并查找原因，采取措施后再確定是否進行試驗，并在確保結(jié)構(gòu)及人員安全的情況下方可繼續(xù)試驗。

①控制測點應(yīng)變值已經(jīng)達到或超過計算值。②控制測點變形（撓度）已超過計算值。

③結(jié)構(gòu)的裂縫長度、寬度或數(shù)量明顯增加。④實測變形分布規(guī)律異常。

⑤橋體發(fā)出異常響聲或發(fā)生其他異常情況。

2.1.2 有限元計算模型

采用MIDAS/Civil大型有限元程序計算軟件建立空間模型，某海峽大橋的通航主橋有限元計算模型見圖3。在設(shè)計荷載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖見圖4～圖5。

圖3 有限元計算模型圖

圖4 活載彎矩包絡(luò)圖

圖5 活載剪力包絡(luò)圖

2.1.3 試驗工況

選擇測試截面時，應(yīng)依據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)所得的內(nèi)力包絡(luò)圖，并考慮應(yīng)力分布，按最不利受力原則進行選定。依此原則選擇了第44#墩支點負彎矩（III-III）截面、第45跨跨中最大正彎矩（II-II）截面以及第46跨最大正彎矩（I-I）截面進行試驗。具體見表1，該橋梁測試截面如圖6。

表1 靜力試驗加載工況一覽表

圖6 測試截面示意圖（單位：m）

2.1.4 靜載試驗效率

經(jīng)計算分析確定的各工況控制截面，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil進行控制截面內(nèi)力影響線分析，根據(jù)程序計算所得的設(shè)計荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的各控制截面處最大彎矩影響線見圖7～圖9。根據(jù)影響線分析結(jié)果進行加載，以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗荷載、加載車輛和輪位。本試驗橋跨靜載試驗共采用12輛三軸重型（340kN）車輛進行等效加載。限于篇幅，僅列出橫橋向中載車輛加載布置圖（見圖10）。由表2可知靜力荷載試驗效率（η）為0.98～1.00，滿足了“規(guī)程”中所規(guī)定的交（竣）工驗收荷載試驗0.85≤η≤1.05的限值要求，說明靜載試驗?zāi)艹浞址从硺蛄航Y(jié)構(gòu)受力性能。

表2 靜力試驗荷載效率計算一覽表

圖7 第46跨最大正彎矩影響線圖

圖8 第45跨中點處彎矩影響線圖

圖9 第44號墩墩頂處彎矩影響線圖

圖10 橫橋向中載車輛加載布置示意圖（單位：cm）

2.1.5 測點布置

I、II、III測試截面應(yīng)變測點布置如圖11～圖13，每個截面箱內(nèi)布設(shè)14～16個電阻應(yīng)變片測點，用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行測試；撓度測點布設(shè)在位于橋面左、右兩側(cè)I-I、II-II截面（見圖14），用精密水準(zhǔn)儀測量。

圖11 I-I截面應(yīng)變測點布置圖

圖12 II-II截面應(yīng)變測點布置圖

圖13 III-III截面應(yīng)變測點布置圖

圖14 各控制截面撓度測點布置圖

2.2 動載試驗

2.2.1 動載試驗原則

（1）橋梁動載試驗測試截面應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)振型特征和行車動力響應(yīng)最大的原則確定。

（2）對多聯(lián)（孔）橋梁，同時開展靜、動載試驗時，動載試驗橋聯(lián)（孔）與靜載試驗相同。

（3）脈動測點一般根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)按跨徑8等分或16等分簡化布置。

（4）宜首選無障礙行車試驗。有障礙行車和制動試驗根據(jù)實際情況選擇。

（5）無障礙行車試驗荷載效率ηd宜取高值，但不超過1。

（6）正式試驗前應(yīng)進行預(yù)加載試驗，對測試系統(tǒng)進行穩(wěn)定性檢查。

2.2.2 自振特性試驗

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，采用環(huán)境隨機振動法測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，以測定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。在各橋跨橋面上8等分及墩頂處放置脈動測點傳感器，用DH5922N智能信號自動采集儀和DHMA實驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)采集與分析，從而得到分析橋梁結(jié)構(gòu)的頻率、振型、阻尼比等自振特性參數(shù)。

2.2.3 無障礙行車試驗

在橋面無障礙的情況下，采用1輛載重汽車（單車總重約34t）分別以車速20km/h、30km/h和40km/h勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，應(yīng)用DH5922動力測試系統(tǒng)測試第45跨跨中截面的動應(yīng)變，分析其沖擊系數(shù)。動應(yīng)變測點布于第45跨跨中截面。

3 靜動載試驗結(jié)果與分析

3.1 靜載試驗結(jié)果與分析

3.1.1 橋梁靜載試驗數(shù)據(jù)分析

（1）校驗系數(shù)

校驗系數(shù)η是評定結(jié)構(gòu)受力狀況，確定橋梁承載能力的一個重要指標(biāo)。實測結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)·是試驗的實測值與理論計算值的應(yīng)力或撓度之比，它反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)。

同類型橋梁η值越小,說明結(jié)構(gòu)的安全儲備越大，但η值不宜過大或過小，如η值過大可能因為組成結(jié)構(gòu)的材料強度或彈性模量較低，結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差，剛度較低等。η值過小可能因為組成結(jié)構(gòu)材料的實際強度或彈性模量較高，橋面鋪裝及人行道等與主梁共同受力，以及計算理論或簡化的計算圖式影響等。另外，試驗加載物的稱量誤差、儀表的觀測誤差等對η值也有一定的影響。實測結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η的常值見表3。

表3 實測結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)的常值表

（2）相對殘余變位（或應(yīng)變）

殘余變位（或殘余應(yīng)變）按下列公式計算：

總變位（或總應(yīng)變）St＝Sl－Sh

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－Sh

式中，Sh——加載前測值；

Sl——加載達到穩(wěn)定時測值；

Su——卸載后達到穩(wěn)定時測值。

相對殘余變位（或應(yīng)變）按下式計算：

式中，S′p——相對殘余變位（或應(yīng)變），Sp、St意義同前。

測點在控制荷載工況作用下的相對殘余變位Sp/St越小，說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。一般要求Sp/St值不大于20%，當(dāng)Sp/St大于20%時，說明橋梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)較差，應(yīng)查明原因。必要時再次進行荷載試驗確定。

（3）裂縫

在試驗荷載作用下新橋裂縫寬度不超過《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的容許值，卸載后其擴展寬度應(yīng)閉合到容許值的1/3。

3.1.2 撓度試驗結(jié)果與分析

根據(jù)對所觀測撓度數(shù)據(jù)進行整理，限于篇幅，表4僅以列出工況3～4的測試結(jié)果。由表4可知撓度理論值與實測值變化規(guī)律基本一致，測試截面的撓度校驗系數(shù)在0.81～0.90之間，均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定0.70～1.00的常值范圍內(nèi)。最大相對殘余變形為6.6%，也小于“規(guī)程”規(guī)定的20%的限值要求。試驗結(jié)果表明，橋梁實際狀況要好于理論狀況，橋梁結(jié)構(gòu)剛度性能良好，其橋梁結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。

表4 工況3～4撓度試驗結(jié)果與分析表

3.1.3 應(yīng)變試驗結(jié)果與分析

根據(jù)對所測應(yīng)變數(shù)據(jù)進行整理，限于篇幅，表5僅以列出工況3～4的測試結(jié)果。由表5可知應(yīng)變實測值與理論值變化規(guī)律基本一致，測試截面的應(yīng)變校驗系數(shù)在0.76～0.88之間，均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定0.60～0.90的常值范圍內(nèi)。最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?2.5%，也小于“規(guī)程”規(guī)定的20%的限值要求。試驗結(jié)果表明，橋梁實際狀況要好于理論狀況，橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能良好，橋梁結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。

表5 工況3～4應(yīng)變試驗結(jié)果與分析表

3.1.4 裂縫觀測結(jié)果

測試截面及附近沒有出現(xiàn)裂縫和其它異?，F(xiàn)象。

3.2動載試驗結(jié)果與分析

動載試驗以主要動力測試參數(shù)說明結(jié)構(gòu)的動力性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在實測值與理論值對比的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)做出評價。

3.2.1 自振特性試驗結(jié)果與分析

現(xiàn)場采集的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋第45跨跨中測點時域波形圖及頻譜圖見圖15，實測豎向第一階、二階自振頻率及振型見圖16、圖18；理論計算豎向第一階、二階自振頻率及振型見圖17、圖19；理論計算頻率與實測頻率參數(shù)表見表6。試驗表明，該橋?qū)崪y豎向第一階、二階自振頻率分別為1.00Hz、1.29Hz，均分別大于豎向第一階、二階自振頻率理論值0.98Hz、1.17Hz，說明橋梁實際剛度大于理論剛度；豎向?qū)崪y振型與理論振型一致，表明該橋有限元分析模型中采用計算式基本合理。

表6 理論計算頻率與自振特性參數(shù)表

圖15 第45跨跨中測點時域波形圖及頻譜圖

圖16 實測豎向第一階自振頻率及振型圖（自振頻率f1=1.00Hz）

圖17 理論計算模型豎向第一階自振頻率及振型圖（自振頻率f1=0.98Hz）

圖18 實測豎向第二階自振頻率及振型圖（自振頻率f2=1.29Hz）

圖19 理論計算模型豎向第二階自振頻率及振型圖（自振頻率f2=1.17Hz）

3.2.2 無障礙行車試驗結(jié)果與分析

根據(jù)理論計算得到豎向第一階自振頻率0.98Hz，以及《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的規(guī)定，計算得到該橋沖擊系數(shù)理論計算值為1.05。經(jīng)動力測試系統(tǒng)信號采集和分析，該橋在無障礙行車情況下的橋梁動應(yīng)變與沖擊系數(shù)列于表7。限于篇幅，僅繪出40km/h車速時動應(yīng)變時程曲線（見圖20）。該橋經(jīng)換算標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下的沖擊系數(shù)最大值為1.02，小于理論計算值1.05，表明該橋有較好的抗動載沖擊能力。

表7 不同車速激振下橋面動應(yīng)變與沖擊系數(shù)

圖20 40km/h車速時動應(yīng)變時程曲線圖

4 結(jié)論

通過對該橋荷載試驗以及對試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗現(xiàn)象進行綜合分析研究，結(jié)論如下：

（1）靜載試驗效率系數(shù)介于0.98～1.00之間，符合“規(guī)程”規(guī)定。表明試驗荷載能反映設(shè)計荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的作用，試驗結(jié)果有效。

（2）靜載試驗結(jié)果研究表明：在試驗荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)各測試截面撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)，分別介于0.81～0.90、0.76～0.88之間，均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定的常值范圍內(nèi)，橋梁實際狀況要好于理論狀況,橋跨結(jié)構(gòu)受力性能良好；最大相對殘余變形和應(yīng)變分別為6.6%、12.5%，均低于“規(guī)程”規(guī)定值20%的要求，橋梁實際狀況要好于理論狀況，橋梁結(jié)構(gòu)剛度性能良好，接近彈性工作狀況。

（3）動載試驗結(jié)果研究表明：實測豎向第一階、二階自振頻率分別為1.00Hz、1.29Hz，均分別大于豎向第一階、二階自振頻率理論值0.98Hz、1.17Hz，說明橋梁實際剛度大于理論剛度；豎向?qū)崪y振型與理論振型基本一致，表明該橋有限元分析模型中采用計算式基本合理。該橋經(jīng)換算標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下的沖擊系數(shù)最大值為1.02，小于理論計算值1.05，表明該橋有較好的抗動載沖擊能力。

（4）裂縫觀測結(jié)果表明，測試截面及附近沒有出現(xiàn)裂縫和其它異?，F(xiàn)象。

（5）綜上所述，該橋滿足公路-I級設(shè)計荷載等級要求。

[1]JTG/TJ21-01-2015,公路橋梁荷載試驗規(guī)程[S].

[2]何玉珊，程崇國，章關(guān)永，涂耘.橋梁隧道工程[S].北京：人民出版社股份有限公司.2016.5.

[3]MIDAS/Civil分析與計算原理[S].北京：邁達斯技術(shù)有限公司. 2016.5.

[4]張玉平,李傳習(xí).株洲建寧大橋斜拉橋靜載試驗研究[J].公路與汽運，2008（2）.