大跨徑連續剛構橋加固后荷載試驗研究

李磊 王永偉

摘要：利用Midas/Civil對某橋進行結構計算，結合某大橋加固后的實際情況，進行了動靜載試驗，分析橋梁結構在荷載作用下的應力、撓度、結構的自振特性及在試驗荷載作用下的動力響應，確定橋梁的承載能力是否滿足正常使用狀況的要求，評價橋梁加固效果。

Abstract： Midas/Civil is used to do structural analysis of bridge. According to the actual situation of a bridge after strengthing， dynamic and static load tests are carried out. The stress， deflection， natural vibration characteristics and dynamic response of bridge structure under loading are analyzed， the bearing capacity of the bridge are determined whether meets the requirements of normal service conditions or not， and the strengthing effect of bridge is evaluated.

關鍵詞：橋梁檢測;動靜載試驗;動力特性;加固后評價

Key words： bridge detection;dynamic and static load test;dynamic characteristics;post-strengthing evaluation

中圖分類號：U445.7+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）14-0068-04

1 ?工程概況

某橋全長577.32m，14跨，跨徑布置為4×30+60+120+60+7×30，主橋為5-7跨，采用預應力混凝土連續剛構橋，左右分幅，設計荷載為：汽車超—20級，掛車—120級，設計車速：100km/h;橋面總寬：26m，橋面組成：0.5m（護欄）+11.5m（行車道）+1.5m（中央分隔帶）+11.5m（行車道）+0.5m（護欄）=26m;地震的基本烈度為VI級;設計洪水頻率：1/300。

大橋主橋箱梁產生頂、底、腹板及預應力錨固端產生不連續的縱向裂縫，底板產生橫向裂縫等主要病害。2017年檢測發現第6跨箱梁跨中接縫處梁底橫向通長開裂，延伸至兩側腹板以上55～70cm，寬0.1～0.2mm，同時測量箱梁下撓8cm，于是采取了體外預應力加固措施。

加固方案為提高縱向預應力度，防止繼續下撓，邊跨設置 4 束15.2-19體外預應力索，中跨設置 6 束15.2-19體外預應力索進行加固，同時對裂縫進行注漿加固。施工完成后通過荷載試驗對加固效果進行評價。

2 ?荷載試驗目的

為確定橋梁結構在試驗荷載作用下的靜態參數，觀測在試驗過程中結構混凝土變形的發展趨勢和應力變化規律，進而判斷該橋主橋的加固后承載能力是否滿足正常使用狀況的要求，評價橋梁加固效果。

3 ?靜載試驗方案

3.1 試驗孔和測試截面的確定

由于該橋主橋為預應力混凝土連續剛構橋，因此選擇主橋中跨跨中（橫向裂縫位置處）、支點及邊跨0.4L截面作為內力和撓度的關鍵控制測試截面。

3.2 測試內容

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中測試項目的規定和該橋的試驗目的，主要選取以下測試項目和控制截面進行靜載試驗，如圖1和表1。

3.3 理論計算

采用Midas/Civil 2017對該橋結構進行計算分析。單幅橋橫向布置為3個車行道，計算時采用汽—超20級車道荷載，按3車道布載，并按照規范進行橫向折減后與2車道計算結果進行比較，取大值，設計活載作用下的內力包絡圖，如圖2和圖3所示。根據實際車重在模型上進行加載計算，在各個汽車試驗荷載工況作用下的靜載效率見表2。

3.4 測點布置

3.4.1 應力測點布置

為了分析測試控制截面的應力分布規律和受力性能，應變測點做如下布置：箱梁底板的應變測點沿底板橫向均布，共4個測點（如圖4、圖6）;腹板的應變測點距底板10cm，沿腹板豎向均布3個測點（如圖5）。

3.4.2 撓度測點布置

在截面1-1、3-3的橋面位置設置撓度測點，布置如圖7所示;每一工況加載完成后對全橋縱向線形進行測量，測點布置在邊跨和中跨四分點處，布置如圖8。

3.4.3 各個工況加載方式

工況1和工況2：5、6號墩跨中截面正彎矩的加載試驗，加載分6級，每一級分級加載1輛加載車輛。

工況3：5號墩支點截面負彎矩加載，加載分7級，每一級分級加載1輛加載車輛。

工況4和工況5：4和5號墩箱梁0.4L位置的正彎矩的加載試驗，加載分6級，每一級分級加載1輛加載車輛。

4 ?動載試驗

4.1 跑車試驗測試方法與測點布置

跑車試驗測試截面一般選擇在活載的作用下橋梁結構應變最大的截面，根據本橋彎矩包絡圖的特點，車輛激勵試驗觀測斷面應布置在中跨跨中位置，車輛激勵試驗加載車采用靜載試驗加載車，見表3。

4.2 脈動試驗測試方法與測點布置

加速度傳感器布置在橋面兩側，縱向測點布置如圖9所示。

5 ?結果分析

5.1 撓度分析

對主橋的中跨跨中截面、P5墩頂附近截面、邊跨0.4L附近截面的撓度和應變，進行了數據測試采集。統計得出撓度校驗系數在0.75～0.83之間，相對殘余撓度在4.2～11.8%之間，實測撓度值均小于理論撓度值，圖10～圖13給出了工況一、二、四、五的實測撓度和理論撓度比較圖。由圖比較可以看出，實測撓度值均小于理論撓度值，撓度最大值小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定;說明大橋主橋試驗跨受力后，基本能恢復到初始狀態，處于彈性工作狀態，主橋撓度能夠滿足設計荷載（汽超—20）的正常使用要求。

5.2 應變數據分析

該橋主橋試驗跨工況一～工況五殘余應變測試試驗截面的相對殘余應變在5.9～16.6%之間，相對殘余應變滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》不大于20%的要求。表4給出了該橋主橋梁工況一～工況五的實測應變、理論應變值以及校驗系數。由表4可以看出，該橋主橋梁試驗跨的實測應變均未超出理論應變，應變的校驗系數在0.43～0.84之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中應變校驗系數小于1的規定。

5.3 裂縫觀測

在加固后裂縫位置，布置裂縫觀測儀，觀察荷載試驗時裂縫并未展開。

5.4 時域波形分析

該橋三跨自東向西每跨四分點均布3個測點，共9個測點，其中第4點（即第二跨自東向西第1個測點）為參考點。信號采集分成兩次，第一次采集1、2、3、4（參考）、5點，第二次采集b4（參考）、6、7、8、9點，采集的時域波形及頻譜如圖14、圖15。

5.5 三向振動頻譜分析

在參考點位置附近布置三個互相垂直的傳感器，分別采集大橋主橋豎向、縱向、橫向的振動信號并進行頻譜分析，得到三個方向的振動頻譜如圖16所示，其中測點號1為豎向，測點號2為縱向（行車方向），測點號3為橫向。從圖中可以看出，光標1處及光標4處（0.95Hz及2.05Hz）橫向振動幅值大于其他兩個方向，為該橋的橫向固有頻率;光標2處（1.2Hz）縱向振動幅值大于其他兩個方向，為大橋的縱向固有頻率;光標3、5、6、7處（1.4Hz、2.5Hz、2.7Hz、3.8Hz）豎向振動幅值大于其他兩個方向，為該橋的豎向前四階固有頻率。

5.6 自振頻率分析

大橋主橋自振頻率實測為1.41Hz，理論計算為1.38Hz，實測為理論計算值的1.02倍，表明大橋主橋橋梁豎向動剛度與理論計算基本吻合。

5.7 振型分析

利用Midas civil2017建立主橋有限元模型，計算第1階豎向理論振型，如圖17所示;同時進行振型擬合，得出實測振型擬合結果，如圖18。由圖可以看出水磨灣大橋主橋1階豎向振型實測結果與理論計算結果接近。

5.8 沖擊系數分析

根據歷程曲線圖進行沖擊系數分析，各個工況下橋梁實測沖擊系數如表5所示。

6 ?結論

①在試驗荷載作用下，各截面測點的實測撓度值均小于理論計算值。②在試驗荷載作用下，各截面測點的實測應變值均小于理論計算值。③通過對中跨跨中截面橫向裂縫的觀測，在試驗荷載作用下裂縫無明顯發展，橋梁未發現新增裂縫現象。④通過豎向振動頻率分析可知，該大橋主橋第1階豎向彎曲振動頻率1.41Hz，為理論計算值1.38Hz的1.02倍，說明主橋豎向動剛度與理論計算基本吻合。⑤實測橋梁第1階豎向振型與理論計算的第1階豎向振型相接近，說明大橋的動力特性良好;大橋主橋的阻尼比為1.083%，在橋梁阻尼比的正常范圍;橋梁最大沖擊系數為0.02，小于《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的計算結果0.05，說明該大橋行車條件較好。

荷載試驗是檢測加固后橋梁加固效果的最直接有效的方法。本文采用荷載試驗檢驗了實例橋梁的承載能力，通過荷載試驗，驗證該連續剛構主梁經過體外預應力加固后滿足正常使用要求，達到預期加固效果。

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