寬幅波形鋼腹板PC組合箱梁橋動靜載試驗研究

蘆 欣

(新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830000)

PC連續(xù)梁橋廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，但外界環(huán)境的變化以及車輛超載、施工、設(shè)計缺陷等原因，導(dǎo)致服役的PC連續(xù)梁橋部分出現(xiàn)主梁下?lián)稀⒏拱搴偷装宄霈F(xiàn)開裂等現(xiàn)象，嚴重影響了橋梁的正常使用[1]。為了解決主梁開裂和主梁下?lián)系膯栴}，一種新型橋梁應(yīng)運而生，波形鋼腹板PC組合箱梁橋充分發(fā)揮了鋼材與混凝土的各自優(yōu)勢，使得橋梁自重大大減小，同時解決了傳統(tǒng)PC箱梁橋腹板開裂的問題。

目前國內(nèi)開始部分使用單箱單室波形鋼腹板PC組合箱梁，但寬幅波形鋼腹板組合箱梁現(xiàn)在在國內(nèi)較少[2-4]。寬幅波形鋼腹板PC組合箱梁與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁相比在受力性能和施工工藝上有一定的差異，現(xiàn)如今對傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋荷載試驗的分析有很多，但對寬幅單箱多室波形鋼腹板PC組合箱梁橋的荷載試驗研究較少。因此以一座(38+68+38)m的波紋鋼腹板單箱雙室連續(xù)箱梁橋為背景，進行靜動載試驗，采集分析實測數(shù)據(jù)，并與邁達斯模型計算的結(jié)果進行對比分析，以研究該類型橋的受力性能。

1 工程概況

主梁采用變截面波紋鋼腹板單箱雙室連續(xù)箱梁，跨徑組合為(38+68+38)m，橋面布置為：0.50m(防撞護欄)+9.75m(行車道)+9.75m(行車道)+0.50m(防撞護欄)=20.50m。中支點和跨中梁高分別為4.2m和1.7m，底板厚度分別為0.50m和0.30m；混凝土采用C50，波紋鋼腹板采用Q345D，波形鋼腹板厚度采用14mm、22mm、20mm、18mm 和16mm 五種型號。波形鋼腹板采用雙開孔鋼板連接鍵(T-PBL)與頂板連接。

該橋之前出現(xiàn)主橋梁板裂縫等情況，經(jīng)審查會專家組意見：同意主橋上部結(jié)構(gòu)拆除更換為變截面波形鋼腹板單箱雙室連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)維修利用。下部結(jié)構(gòu)跨堤橋65#主墩原設(shè)計墩高為7.34m，考慮到改造后主梁底板寬度增大，支座位置應(yīng)盡量靠近邊腹板，因此需要對主墩墩頂位置蓋梁處理，65#墩較高，具備改造條件，65#改造后墩頂設(shè)置4m 帽梁，支座間距按照11.5m 設(shè)置；66#墩位于大堤上，墩身總體高度較小，墩身總高僅為2.59m，不具備設(shè)置大型帽梁的條件。為了滿足截面抗剪計算需求，該主墩支座間距減小至9.5m，支座放置于承臺之內(nèi)，同時加大主墩橫向截面的尺寸，由原2.5m 增大至5m。跨堤連續(xù)梁橋立面及斷面圖見圖1和圖2。

圖1 橋梁縱向布置圖(單位：m)

圖2 橋梁橫截面布置圖(單位：m)

2 數(shù)值模擬

采用邁達斯Civil建立橋梁的有限元模型，主梁采用空間梁單元進行模擬，全橋共劃分為56 個單元，57 個節(jié)點[5]。以公路-Ⅰ級荷載作為驗算荷載對其進行計算分析，該靜載試驗主要測試主梁各控制截面在最不利設(shè)計荷載(靜載)下的最大內(nèi)力，圖3為計算模型截圖。

圖3 橋梁MIDAS模型

通過軟件分析，計算得出橋梁在設(shè)計荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖分別見圖4和圖5。

圖4 橋梁彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖5 橋梁應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：kPa)

由彎矩包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖的內(nèi)力和應(yīng)力的峰值，并根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，最終確定該橋的關(guān)鍵控制截面。

3 荷載試驗分析

3.1 靜載試驗

(1)靜載試驗工況

通過有限元分析及其規(guī)范的規(guī)定，確定了此次荷載試驗的4個主要內(nèi)力控制截面，分別為A、B、C和D截面，對應(yīng)于這4個內(nèi)力控制截面，確定5個靜載試驗工況。如圖1所示[6]。

靜載試驗工況：

工況1：A截面最大正彎矩，偏載試驗，測試A截面各測點應(yīng)變和撓度；

工況2：B截面最大負彎矩，偏載試驗，測試B截面各測點應(yīng)變；

工況3：C截面最大正彎矩，偏載試驗，測試C截面各測點應(yīng)變和撓度；

工況4：C截面最大正彎矩，中載試驗，測試C截面各測點應(yīng)變和撓度；

工況5：D截面最大正彎矩，偏載試驗，測試D截面各測點應(yīng)變和撓度。

(2)應(yīng)變測點布置

橋梁的應(yīng)力超限，往往是主梁發(fā)生開裂的直接原因，為了準確地測量主梁在荷載作用下，主梁頂板、腹板和底板的關(guān)鍵點的應(yīng)力值，此次荷載試驗的應(yīng)力測點，分別在三個構(gòu)件上布置測點，具體測點見表1和圖6。

表1 主橋測點位置分布表

圖6 主梁控制截面應(yīng)變測點布置示意圖(單位：cm)

(3)撓度測點布置

撓度做為評價橋梁整體剛度的重要參數(shù)，撓度的控制，主要控制關(guān)鍵的測點，如橋梁跨中截面、1/4截面和支點截面等。本次荷載試驗采用水準儀進行測量，在橋臺處設(shè)置不動點。各測點橫向分別距人行道內(nèi)側(cè)15cm，編號依次為：0-1、……、6-1。加載采用分級加載形式，具體布置方法見圖7。

圖7 撓度測點布置圖(單位：m)

3.2 動載試驗

為了測得橋梁前3階的豎向自振頻率及振型，在橋面上布置多個拾振器，測點布置在橋跨四等分點位置(墩頂處除外)，共設(shè)置9個測點，從小樁號向大樁號布置測點，依次為V-1～V-9，1個參考點，參考點均在伸縮縫以外[7-8]。

多次對環(huán)境激勵下橋梁響應(yīng)信號的功率譜進行平均分析，并利用每個測量點的幅度和相位關(guān)系，可獲得橋梁的固有振動頻率和模態(tài)值。其加速度信號由拾振器采集，并通過放大器放大再由采集儀采集大量加速度信號。環(huán)境振動的采樣頻率為500Hz，采樣時間1500s，環(huán)境振動測試測點布置圖如圖8所示。

圖8 橋梁模態(tài)測點布置圖(單位：m)

3.3 結(jié)果分析

(1)應(yīng)變結(jié)果對比分析

各控制截面底板、腹板和頂板處的實測值與理論值對比，見圖9。各工況作用下各主梁截面正應(yīng)力區(qū)，實測應(yīng)變值小于理論值，負應(yīng)力區(qū)，實測應(yīng)變值大于理論值，且兩者的變化規(guī)律趨同。應(yīng)變最大校驗系數(shù)為0.80，與同類型橋梁的實測結(jié)果基本相同，工作性能較好。

圖9 各工況作用下各截面應(yīng)力對比圖

(2)撓度結(jié)果對比分析

各控制截面在其加載工況下的橋面撓度測點實測結(jié)果和理論計算值見表2。

表2 箱梁各斷面撓度數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中實測結(jié)果，可以看出試驗跨撓度校驗系數(shù)在0.64～0.80范圍內(nèi)，實測撓度與理論計算結(jié)果的變化規(guī)律一致，滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過規(guī)范給定的公式計算出允許撓度值，可知橋梁主跨的允許撓度為113.33mm，而橋梁在各工況荷載作用下實測最大撓度為17.73mm，遠小于規(guī)范規(guī)定的允許值。

(3)動力特性對比分析

由拾振器采集的數(shù)據(jù)，通過模態(tài)識別，可得出前面三階實測頻率值，分別為1.952Hz、3.713Hz和 4.544Hz，與理論值相比分別為1.17、1.09和1.06，再通過測點的實測數(shù)進行模態(tài)分析，具體如圖10所示。

圖10 各階豎彎實測振型圖

根據(jù)實測各測點時域波形圖的頻譜分析結(jié)果，可得出前三階實測頻率與理論計算頻率之比，詳見表3。

表3 橋梁自振頻率實測與理論值對比

4 結(jié)論

通過對寬幅波形鋼腹板PC組合箱梁橋的動靜載試驗以及有限元的模型的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在靜載試驗各工況下，控制截面的撓度與應(yīng)變實測值均小于理論值和規(guī)范給定的允許值，其中應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)分別在0.50～0.65和0.64～0.80之間，均滿足規(guī)范要求。主要測點最大相對殘余變形為11.11%、撓度最大相對殘余變形為5.32%，相對殘余應(yīng)變及相對殘余撓度滿足規(guī)范要求[9-10]。通過靜載試驗分析可知，該橋的靜力性能還處于彈性階段。

(2)在環(huán)境激勵法試驗下，獲得了橋梁前3階的自振頻率，實測各階自振頻率值均大于理論計算值，表明橋梁的整體剛度和性能滿足要求。