預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁試驗檢測技術(shù)研究

白英勇

（貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

橋梁試驗檢測對確定橋梁結(jié)構(gòu)所處受力狀態(tài)，以及荷載作用下的表現(xiàn)，都有十分重要的作用與意義，但試驗檢測是一項專業(yè)度很高的工作，一方面要制定合理可行的試驗檢測方案，另一方面要對各項試驗檢測結(jié)果進行深入分析，這樣才能為橋梁結(jié)構(gòu)性能的綜合分析與評價提供可靠的參考依據(jù)。

1 項目概況

某橋梁總長約399.8m，其平面處在一個半徑為600m、緩長為80m 的曲線段，縱坡為2.9%。該橋梁包含左右兩幅，橋面寬度相同，均為11.75m，行車道凈寬為10.75m，在兩側(cè)分別設(shè)置墻式護欄，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底部寬度為0.5m。該橋梁跨徑組合為64m+115m+64m+30m+30m+30m+30m+30m，主橋采用連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為64m+115m+64m，引橋采用連續(xù)槽形梁，跨徑布置為30m+30m+30m+30m+30m。該橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，截面形式為單箱單室，兩端與中跨跨中處的梁高相同，均為2.5m，墩頂根部梁高為6m，其他截面的高度變化呈二次拋物線形式。該橋梁主橋下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩與鉆孔灌注樁?，F(xiàn)結(jié)合該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實際情況，對其試驗檢測技術(shù)作如下分析。

2 分析方法確定

在靜力計算過程中主要采用下列兩種方法進行分析：第一，借助一維桿系模型通過計算找到目標橋跨上的最不利截面，將其視作檢測控制截面，并為等效試驗荷載找到適宜的分布方式，最后計算主梁試驗截面對應(yīng)的最大設(shè)計控制內(nèi)力及等效試驗荷載內(nèi)力[1]。第二，根據(jù)橋跨整體空間構(gòu)造，借助三維實體單元對等效試驗荷載持續(xù)作用下各檢測點應(yīng)力和發(fā)生的結(jié)構(gòu)變形進行分析。在動力計算過程中，通過對實體構(gòu)建專門的有限元模型，確定自由振動特性。

3 試驗檢測方案

3.1 試驗檢測內(nèi)容

3.1.1 靜力反應(yīng)測試

基于試驗荷載的持續(xù)作用，確定目標橋跨上的控制孔跨于最不利截面部位的具體反應(yīng)，包括橋跨典型部位撓度、梁體是否開裂，并明確裂縫擴展趨勢和分布規(guī)律、橋跨典型截面位置對應(yīng)的應(yīng)力分布情況、橋梁整體結(jié)構(gòu)彈性及其恢復(fù)特性，即缺陷部位受荷載作用后的變形表現(xiàn)特性[2]。

3.1.2 動力反應(yīng)測試

第一，單車勻速直線從目標橋跨上通過，按照30km/h 和50km/h 兩種速度從橋跨上勻速通過，對主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時程曲線進行統(tǒng)計與記錄。第二，使勻速行駛的車輛在預(yù)先指定的位置，從高度為10cm 的跳車板上越過，對主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時程曲線進行統(tǒng)計與記錄。第三，使保持在勻速行駛狀態(tài)的車輛在預(yù)先指定的位置制動，對主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時程曲線進行統(tǒng)計與記錄[3]。

3.2 截面與測點布置

借助有限元程序，計算試驗檢測開始前，橋梁結(jié)構(gòu)在活載持續(xù)作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形情況，找出最大內(nèi)力所在的截面及最大變形位置。根據(jù)以上試驗檢測內(nèi)容及試驗檢測的基本任務(wù)要求，綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造的主要特點及各項理論計算成果后，進行測點布置，具體測點布置形式如圖1 所示。在圖1中，Y 表示靜應(yīng)力測點，DY 表示動應(yīng)力測點，W 表示靜位移測點，DW 表示動位移測點，YH 表示應(yīng)變花，ZD 表示振動特性測點。

圖1 各截面的測點布置形式

3.3 試驗荷載確定

3.3.1 靜載試驗

試驗時采用的車輛，其理論總重量確定為400kN，遵循設(shè)計與試驗兩種荷載對控制截面施加的作用會產(chǎn)生等效內(nèi)力及變形反應(yīng)的基本原則，確定具體加載工況。通過對不同加載工況下的荷載效應(yīng)系數(shù)進行計算得到相應(yīng)結(jié)果，結(jié)果在1～1.04 范圍內(nèi)，符合相關(guān)試驗規(guī)程的要求[4]。

3.3.2 動載試驗

動載試驗的試驗荷載實際上就是試驗所用車輛的重量。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻資料，在動載試驗過程中，將效率系數(shù)確定為1 為宜。然而，由于在單車試驗條件下很難使效率系數(shù)達到1，而在多車試驗條件下相鄰兩臺試驗車輛之間的距離很難控制，所以為了使行車速度達到要求，在動載試驗過程中使用的試驗車輛的重量不可過大。同時，為確保試驗過程中能使目標橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的激振反應(yīng)，在動載試驗過程中使用的試驗車輛的重量也不可太小。綜合考慮目標橋梁結(jié)構(gòu)各方面的特點，最終將動載試驗所用試驗車輛的重量確定為400kN。

3.4 靜載試驗工況

根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果可知，不同截面主梁產(chǎn)生的最大反應(yīng)與荷載布置方式相對應(yīng)，按照試驗荷載等效原則，同時為提高現(xiàn)場試驗檢測效率，最終決定針對不同加載工況，分別實施靜載試驗。

4 試驗檢測結(jié)果及分析

4.1 靜載試驗

4.1.1 結(jié)構(gòu)撓度

基于試驗荷載的持續(xù)作用，目標橋梁不同工況下的實測最大撓度及其理論值與相應(yīng)的校驗系數(shù)如表1所示，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

表1 目標橋梁不同工況下的實測最大撓度及其理論值與相應(yīng)的校驗系數(shù)（單位：mm）

第一，每個測點產(chǎn)生的位移都和結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的變形保持的定性趨勢保持一致，即所有測點產(chǎn)生的位移都在預(yù)期之內(nèi)，無異常位移[5]。第二，AA 截面在工況5 下產(chǎn)生的變形屬于最不利，其最大撓度值為21.44mm；B-B 截面在工況2 下產(chǎn)生的變形屬于最不利，其最大撓度值為7.06mm，但實測撓度值和橋跨比值都處在相關(guān)技術(shù)規(guī)范提出的允許限度之內(nèi)，即不超過1/600L。第三，在不同工況下，位移校驗系數(shù)在0.73～0.95 的范圍內(nèi)變化，其平均值經(jīng)計算等于0.82。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻資料，該目標橋梁的撓度檢驗系數(shù)通常需保持在0.7～1 范圍內(nèi)，這說明該橋梁受檢橋跨的實測撓度結(jié)果符合相應(yīng)的變形規(guī)律[6]。

通過對實測結(jié)果和理論分析值之間的對比可知，該目標橋梁受檢橋跨在試驗荷載作用下產(chǎn)生的變形性能基本正常，主梁上不同截面位置產(chǎn)生的變形均比相應(yīng)的理論計算值小，說明主梁結(jié)構(gòu)剛度與相關(guān)規(guī)范及設(shè)計提出的要求相符，整體結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能。

4.1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變

目標橋梁不同檢測截面在不同工況下的應(yīng)力/應(yīng)變實測結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2 結(jié)果可知，實測應(yīng)力/應(yīng)變主要存在以下特征：第一，各測點對應(yīng)的實測結(jié)果都能反映出當(dāng)前加載工況下受檢橋跨結(jié)構(gòu)受力具有的分布趨勢，不同測點對應(yīng)的應(yīng)力量值可綜合反映出此檢測截面在荷載作用下的彎矩情況。第二，基于對稱荷載的持續(xù)作用，各對稱測點的實測應(yīng)變從總體上看有良好的對稱性。第三，目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實測應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果遵循的分布趨勢和理論計算結(jié)果基本一致，即一致性良好[7]。

表2 目標橋梁不同檢測截面在不同工況下的應(yīng)力/應(yīng)變實測結(jié)果（單位：MPa）

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻資料可知，該目標橋梁正常情況下的應(yīng)力檢驗系數(shù)通常需保持在0.6～0.9 范圍內(nèi)。從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗系數(shù)在上述范圍內(nèi)，經(jīng)計算，相應(yīng)的平均值等于0.77，比推薦范圍的上限值小?？梢?，目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實際強度滿足設(shè)計要求，受荷載作用后表現(xiàn)出的應(yīng)力無異常，完全適應(yīng)設(shè)計荷載提出的承載力等性能要求。

4.1.3 彈性恢復(fù)特性

卸除試驗荷載后，繼續(xù)對測點產(chǎn)生的位移與應(yīng)力數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集，根據(jù)卸載完成后的實測位移和應(yīng)力可知，主梁因試驗荷載作用產(chǎn)生的位移可以很快恢復(fù)，相比之下應(yīng)力恢復(fù)速度較慢。相較于一般受彎構(gòu)件對應(yīng)的實測結(jié)果，目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)速度處于正常范疇，基于正常條件下的設(shè)計荷載作用，受檢橋跨結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)性能可以達到要求[8]。

4.2 動載試驗

為確定目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性能否達到相關(guān)設(shè)計要求，根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)尺寸進行空間三維建模，以此對受檢橋跨結(jié)構(gòu)振型及基本振動頻率進行計算，具體結(jié)果如表3 所示。

表3 部分工況下截面應(yīng)力

目標橋梁通過動載試驗主要解決以下兩方面問題：第一，對目標橋梁進行動力特性測試，在測試過程中對激勵信號影響下受檢結(jié)構(gòu)不同測點產(chǎn)生的脈動波形與余振波形進行記錄，以此確定受檢結(jié)構(gòu)的基本動力特性，包括振型、頻率與阻尼。第二，為受檢結(jié)構(gòu)施加與實際使用狀態(tài)基本相同的動載荷，即模擬實際使用狀態(tài)，然后在記錄的同時深入分析受檢結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動應(yīng)力與動變形，并確定相應(yīng)的動力系數(shù)，最終得出橋梁結(jié)構(gòu)受動荷載持續(xù)作用后表現(xiàn)出的振動特性，即強迫振動特性。

在受檢橋跨結(jié)構(gòu)跨中處安裝傳感器，對受檢橋跨結(jié)構(gòu)在試驗行車條件下表現(xiàn)出的振動反應(yīng)進行測試。通過深入分析目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)強迫振動余振時程曲線和各測點的動應(yīng)變、動位移與強迫振動對應(yīng)的時程曲線，可得出以下結(jié)果：第一，受檢橋跨結(jié)構(gòu)振動基頻的實測結(jié)果為0.49Hz，比相應(yīng)的理論計算結(jié)果略大；第二，受檢橋跨結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的實測結(jié)果為0.079，比普通鋼筋混凝土橋梁對應(yīng)的阻尼值略大；第三，受檢橋跨結(jié)構(gòu)荷載沖擊系數(shù)實測結(jié)果為邊跨1、中跨1.091，均比相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的取值略大[9]。

根據(jù)以上試驗結(jié)果可以看出，受檢橋跨結(jié)構(gòu)自身動力剛度比相應(yīng)的理論設(shè)計值略大，但受檢橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)和阻尼系數(shù)也都相對較大，因此總體來看，目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能合格。

5 結(jié)論

經(jīng)以上橋梁試驗檢測實例分析，可得出下列結(jié)論：第一，該目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的靜載試驗應(yīng)力實測結(jié)果與撓度實測結(jié)果都和相關(guān)理論成果基本相符，不存在太大的相對差異?？傮w來看，實測值比相應(yīng)的理論值小，說明目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實際剛度比相應(yīng)的理論值略大。第二，該目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的工作狀況良好，在受到設(shè)計確定的最不利活載持續(xù)作用后，受檢結(jié)構(gòu)依然處在良好的彈性狀態(tài)。第三，該目標橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實測自振特性和相應(yīng)的理論計算結(jié)果良好吻合，頻率的實測結(jié)果比理論計算結(jié)果略高，說明受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能良好。第四，受檢橋跨結(jié)構(gòu)受動載作用后表現(xiàn)出的沖擊系數(shù)相對較大，這可能對橋梁的正常使用造成一定程度的不利影響。