預應力混凝土連續剛構懸澆箱梁橋安全性評價

2016-07-27 03:17:21張燕清

四川建筑 2016年2期

張燕清

(三明市交通建設投資有限公司，福建三明 365000)

張燕清

(三明市交通建設投資有限公司，福建三明 365000)

【摘要】文章以高速公路上一座預應力混凝土連續剛構箱梁橋為工程背景，采用有限元軟件建立理論模型，進行荷載試驗，將實測值與理論計算值進行比較分析，并結合相關規范對該橋進行承載能力檢算，評價該橋工作性能是否符合要求，對其他同類橋梁的工作性能評價具有參考意義。

【關鍵詞】預應力混凝土；連續剛構；荷載試驗；承載能力檢算；工作性能

預應力混凝土連續剛構橋跨越能力大，整體性能強，抗彎抗扭剛度大，且外觀簡潔優美，施工難度小，行車舒順，養護簡便，造價較低，噪音小，被越來越廣泛地應用于長大跨徑、高墩橋梁上。其結構構造特點是中間橋墩采用墩梁固結，下部結構一般采用柔性橋墩，以減少因主梁的預應力張拉、溫度變化、混凝土收縮、徐變等作用引起的變形受到橋墩約束后產生的次內力。

1工程概況

某高速公路上的一座預應力混凝土連續剛構懸澆箱梁橋，平面上位于半徑為1 100 m圓曲線內，全橋共6聯，橋型布置為(3×30+4×30) m連續剛構T梁+(50+90+50) m變截面連續剛構懸澆箱梁+(3×30+4×30+3×30) m連續剛構T梁，全長707 m，橋面寬度為(0.5 m防撞欄+凈11.75 m+0.5 m防撞欄)。

本文的研究對象為該橋主橋(50+90+50) m變截面連續剛構懸澆箱梁(圖1)，主要施工工藝為掛籃懸澆。控制斷面梁高：中支點處5.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處1.8 m，其高跨比分別為1∶15.79和1∶46.88；梁高變化段梁底曲線采用1.6次拋物線。箱梁橫斷面為單箱單室直腹板，箱梁頂板寬度為12.75 m，底寬為6.75 m，箱梁梁體兩翼緣板懸臂長度為3.0 m。箱梁底板水平，通過兩腹板的高差，實現頂板單向橫坡。通過平曲線內外側箱梁長度差，實現平曲線。

圖1　某預應力混凝土連續剛構箱梁橋總體布置(單位：m)

主墩為6.75 m×4.6 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎為4根直徑2.5 m雙排鋼筋混凝土群樁；交界墩為6.5 m×2.8 m鋼筋混凝土空心薄壁墩，基礎為4根直徑2.0 m雙排鋼筋混凝土土群樁。主墩高度分別為79 m、66 m，屬于薄壁空心高墩，施工設備需采用塔吊。因山區風力強大，高空作業施工安全風險高。

箱梁采用C55混凝土，橋面鋪裝C40防水混凝土，箱梁橋墩墩身C50，橋墩承臺C40，橋墩樁基C30。設計荷載等級為公路-Ⅰ級。為了解橋跨結構在交通荷載作用下的實際受力狀態，評價結構在荷載作用下的工作性能，檢驗其是否滿足設計荷載等級要求，對該橋進行了荷載試驗和承載能力檢算分析。

2靜載試驗

2.1靜載試驗工況及檢驗對象

根據該橋施工設計圖紙，應用有限元計算軟件進行建模計算分析，模型見圖2，理論彎矩包絡圖見圖3，理論剪力包絡圖見圖4。以設計標準活載產生的該試驗項目的最不利效應值等效換算，確定所需的試驗荷載。然后根據橋跨結構受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1。各跨主要測試截面見圖5。由表2可知，該橋的試驗荷載效率η滿足文獻[3]基本荷載試驗規定的要求0.80≤η≤1.00。

圖2　某預應力混凝土連續剛構箱梁橋模型

圖3　理論彎矩包絡圖

2.2測點布置

應變測點布置：在各控制截面的箱梁底部以及Ⅳ-Ⅳ截面的腹板側面粘貼混凝土應變片進行測量，各控制截面應變測點布置見圖6。

圖4　理論剪力包絡圖

圖5　試驗測試截面示意(m)

工況加載方式測試截面測試內容123左側偏載中載右側偏載第8跨最大正彎矩截面(Ⅰ-Ⅰ截面)撓度和應力(應變)456左側偏載中載右側偏載第9跨跨中截面(Ⅱ-Ⅱ截面)撓度和應力(應變)789左側偏載中載右側偏載第9跨1/4截面(Ⅲ-Ⅲ截面)撓度和應力(應變)10中載8#墩支點負彎矩截面(Ⅳ-Ⅳ截面)應力(應變)和中性軸

表2　靜力試驗荷載效率

撓度測點布置：在各控制截面的橋面左右兩側護欄位置布設塔尺，采用精密水準儀進行測量。

2.3試驗數據及與理論值的比較分析

在試驗加載工況作用下，各控制截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表3所示，實測應變及其與理論計算值的比較如表4所示。可以看出，該橋第8跨最大正彎矩截面撓度校驗系數為0.77～0.81，應變校驗系數為0.76～0.80；第9跨跨中截面撓度校驗系數為0.73～0.77，應變校驗系數

(a)Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面

(b)Ⅳ-Ⅳ截面圖6　各控制截面應變測點布置(cm)

表4　各控制截面應變分析表　μ

為0.77～0.84；第9跨1/4截面撓度校驗系數為0.79～0.82，應變校驗系數為0.80～0.88；各截面撓度校驗系數和應變校驗系數均處于文獻[3]規定的常值范圍(0.7～1.05)；各截面相對殘余撓度和應變均小于文獻[3]規定的20%。

2.4支點截面中性軸分析

在試驗加載工況10作用下，Ⅳ-Ⅳ截面測點的實測應變變化情況及其與理論計算值的比較如圖7所示。

圖7　Ⅳ-Ⅳ截面應變測點沿梁高變化情況

分析各測點的實測應變數據可以得出，實測的箱梁截面中性軸位置距梁底高度為3.86 m，與理論計算得到的截面中性軸位置(3.82 m)基本相同。從圖7可以看出，實測應變沿梁高基本呈線性變化，表明箱梁處于彈性受力狀態。

3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。

3.1自振特性結果及分析

在各跨8分點位置橋面上放置脈動測點傳感器，實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該連續剛構箱梁橋的豎向1階和2階自振頻率及振型。該橋實測豎向1階和2階自振頻率分別為1.72 Hz和2.91 Hz，大于理論計算值1.56 Hz和2.69 Hz，實測振型與理論計算振型基本吻合。自振特性試驗表明該橋的實測整體剛度比理論計算值大，處于較理想的狀態。實測與理論計算的豎向1階和2階自振頻率及振型對比圖見圖8。

4箱梁承載能力檢算分析

對該橋上部結構進行承載能力檢算，結合上述荷載試驗結果對橋跨結構的工作性能進行評定。根據結構特點，選取Ⅱ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ截面作為檢算截面。檢算內容包括橋跨結構在承載能力極限狀態下相應的作用效應組合及各組合情況下的正截面抗彎和斜截面抗剪承載力。

4.1檢算資料

橋面寬度：凈11.75 m行車道+2×0.50 m護欄；

車道數：3車道，車道折減系數取0.78；

混凝土強度等級為C55，彈性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.2，抗壓強度設計值fcd=24.4 MPa；

二期恒載：橋面鋪裝為8 cm厚C40防水混凝土+防水層+7 cm厚瀝青混凝土層，密度重按24.5 kN/m3計；

設計荷載：公路Ⅰ級；汽車制動力及沖擊力：按橋規取用；