大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋荷載試驗分析

■吳明峰

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運重點試驗室，福州 350004）

1 工程概況

某大橋跨越麻陽溪，全長320m，分離式雙幅橋梁，總寬度29.5m， 橋型布置為 (82+146+82)m 預應力混凝土連續箱梁，左、右幅均采用單箱單室變截面型式。主墩采用實體墩，橋臺采用肋式臺，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。荷載設計等級為城-A 級。

通過對該新橋進行交工靜載動載試驗， 評價該橋結構承載能力是否滿足設計荷載等級要求。

橋跨結構布置圖和主跨橫截面圖分別見圖1 和圖2。

圖1 橋跨結構布置圖(單位：cm)

圖2 主跨橫截面圖(單位：cm)

2 試驗結果及分析

2.1 靜載試驗

2.1.1 試驗工況

根據橋跨結構受力特點和病害情況， 選擇左右幅第1 跨和第2 跨正彎矩截面及1 號墩支點負彎矩截面進行各試驗工況，各試驗工況見表1。

表1 靜載試驗加載工況

2.1.2 測點布置

(1)應變測點布置：第1 跨最大正彎矩截面和第2跨跨中截面及1 號墩支點截面箱梁粘貼膠基應變片，采用靜態應變測試系統采集。 應變測點如圖3 和圖4 所示。

(2)撓度測點布置：第1 跨最大正彎矩截面和第2跨跨中截面的橋面兩側布置塔尺， 采用自動安平水準儀測量。撓度測點如圖5 所示。

圖3 第1 跨和第2 跨控制截面應變測點布置(單位：cm)

圖4 1 號墩支點控制截面應變測點布置(單位：cm)

圖5 撓度測點布置圖(單位：cm)

2.1.3 靜載試驗結果

2.1.3.1 橋梁承載能力的評定方法

(1)校驗系數

校驗系數η 是評定結構工作狀況， 確定橋梁承載能力的一個重要指標，可以從中判定橋梁結構的承載能力的工作狀態。

實測結構校驗系數?是試驗的實測值與理論計算值的應力或撓度之比，它反映結構的實際工作狀態。

η 值越小說明結構的安全儲備越大，但η 值不宜過大或過小， 如η 值過大說明組成結構的材料強度可能較低，結構各部分聯結性能較差，剛度較低等。η 值過小可能說明組成結構材料的實際強度及彈性模量較大，梁橋的混凝土鋪裝及人行道等與主梁共同受力， 支座摩擦力對結構受力的有力影響， 以及計算理論或簡化的計算圖式偏于安全等等。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。

參照 《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》 (1982 年10 月)，實測結構校驗系數η 的常用值見表2。

表2 實測結構校驗系數的常用值表

(2)相對殘余變位(或應變)

殘余變位(或殘余應變)按下列下公式計算：

總變位(或總應變)St＝Sl－Si；

彈性變位(或彈性應變)Se＝Sl－Su；

殘余變位(或殘余應變)Sp＝St－Se＝Su－Si；

式中：Si——加載前測值；

Sl——加載達到穩定時測值；

Su——卸載后達到穩定時測值。

引入相對殘余變位(或應變)的概念描述結構整體或局部進入塑性工作狀態的程度。

加州鱸魚苗培育池塘面積為2.3畝和1.8畝的兩口土池塘，平均水深0.8m。據湯老板介紹，5月初加州鱸魚苗有少量沿池塘邊獨自游動，體型瘦小，幾天后數量逐漸增多，并看見魚苗頭部呈白色，每天有幾十尾死亡，起初以為是細菌性疾病，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，這種情況持續了幾天仍未好轉。現場水質檢測各指標：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，水質偏肥。

相對殘余變位(或應變)按下式計算：

式中：S′p——相對殘余變位(或應變)，Sp、St意義同前。

2.1.4 靜載試驗結果

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

(2)在試驗荷載作用下，左幅第2 跨跨中正彎矩截面應變校驗系數為0.70～0.73， 左幅第1 跨最大正彎矩截面應變校驗系數為0.60～0.61； 右幅第2 跨跨中正彎矩截面應變校驗系數為0.73～0.74， 右幅第1 跨最大正彎矩截面應變校驗系數為0.60～0.61。 各測試截面應變校驗系數均低于或處于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》 (1982 年10 月)規定的常值范圍(0.7～1.05)，相對殘余應變為7.1%， 均小于規定值20%。 左幅1 號墩支點負彎矩截面應變校驗系數為0.53～0.60， 相對殘余應變最大值為6.9%； 右幅1 號墩支點負彎矩截面應變校驗系數為0.57， 相對殘余應變最大值為5.3%。 各測試截面應變校驗系數均小于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》 (1982 年10 月)規定的常值范圍(0.7～1.05)，相對殘余應變均小于規定值20%。

各截面應變實測值、理論計算值及校驗系數見表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 跨控制截面應變分析表

表5 1#墩支點控制截面應變分析表

2.2 動載試驗

(1)自振特性試驗。

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微小振動響應，測試橋跨結構自振頻率和阻尼比，以分析橋跨結構自振特性。自振特性試驗橋面傳感器測點布置如圖6 所示。

圖6 自振特性試驗橋面傳感器測點布置圖(單位：cm)

(2)無障礙行車試驗。

在無障礙行車速度20km/h、30km/h 和40km/h 狀況下，測試橋梁第2 跨跨中截面沖擊系數。

2.2.2 動載試驗結果

(1)自振特性試驗結果

橋跨結構實測豎向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 實測與理論振型比較

表6 自振頻率實測與理論值比較

自振特性試驗結果表明，左幅和右幅主橋實測豎向1 階自振頻率分別為1.02Hz 和1.07Hz， 略大于理論計算值0.77Hz，實測振型與理論計算振型一致。

(2)無障礙行車試驗結果

在橋面無障礙的情況下，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，測得第2 跨跨中的沖擊系數和動撓度見表7，跨中截面動位移時程實測曲線見圖8。

圖8 無障礙行車跨中截面動應變時程

表7 第2 跨無障礙行車試驗結果

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， 左幅換算成標準汽車荷載的沖擊系數分別為1.004、1.004 和1.005； 右幅換算成標準汽車荷載的沖擊系數分別為1.004、1.004和1.009。 按 《公路橋涵設計通用規范》 (JTG D60-2004)中沖擊系數μ 的計算公式計算：當 時，則1+μ=1+(0.1716lnf-0.0157)=1.05(這里f 取橋面豎向一階實測頻率)。實測相當于標準汽車荷載的最大沖擊系數為1.009，小于規范計算值(1+)=1.05， 橋梁沖擊效應不明顯。

3 結論

(1)靜載試驗結果表明：在試驗荷載作用下，橋跨結構各截面撓度和應變校驗系數均低于或處于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定的常值范圍；最大相對殘余撓度和應變均低于 《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定常值(20%)。

(2)動力荷載試驗結果表明：該橋左右幅主橋實測豎向1 階自振頻率為1.02Hz 和1.02Hz，均大于理論計算值0.77Hz， 實測振型與理論計算振型一致。 實測相當于標準汽車荷載的最大沖擊系數為1.009，小于規范計算值(1+)=1.05，橋梁沖擊效應不明顯。

(3) 綜上所述， 橋跨結構承載能力滿足城-A 級設計荷載等級要求。