寬幅波形鋼腹板PC組合箱梁橋動靜載試驗研究

蘆 欣

(新疆交投建設管理有限責任公司 烏魯木齊市 830000)

PC連續梁橋廣泛應用于工程建設中，但外界環境的變化以及車輛超載、施工、設計缺陷等原因，導致服役的PC連續梁橋部分出現主梁下撓、腹板和底板出現開裂等現象，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撓的問題，一種新型橋梁應運而生，波形鋼腹板PC組合箱梁橋充分發揮了鋼材與混凝土的各自優勢，使得橋梁自重大大減小，同時解決了傳統PC箱梁橋腹板開裂的問題。

目前國內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在在國內較少[2-4]。寬幅波形鋼腹板PC組合箱梁與傳統的預應力混凝土連續梁相比在受力性能和施工工藝上有一定的差異，現如今對傳統的預應力混凝土連續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箱梁橋為背景，進行靜動載試驗，采集分析實測數據，并與邁達斯模型計算的結果進行對比分析，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。

該橋之前出現主橋梁板裂縫等情況，經審查會專家組意見：同意主橋上部結構拆除更換為變截面波形鋼腹板單箱雙室連續箱梁，下部結構維修利用。下部結構跨堤橋65#主墩原設計墩高為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#改造后墩頂設置4m 帽梁，支座間距按照11.5m 設置；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，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計荷載(靜載)下的最大內力，圖3為計算模型截圖。

圖3 橋梁MIDAS模型

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

圖4 橋梁彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖5 橋梁應力包絡圖(單位：kPa)

由彎矩包絡圖和應力包絡圖的內力和應力的峰值，并根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的規定，最終確定該橋的關鍵控制截面。

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范的規定，確定了此次荷載試驗的4個主要內力控制截面，分別為A、B、C和D截面，對應于這4個內力控制截面，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截面各測點應變和撓度。

(2)應變測點布置

橋梁的應力超限，往往是主梁發生開裂的直接原因，為了準確地測量主梁在荷載作用下，主梁頂板、腹板和底板的關鍵點的應力值，此次荷載試驗的應力測點，分別在三個構件上布置測點，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，撓度的控制，主要控制關鍵的測點，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，在橋臺處設置不動點。各測點橫向分別距人行道內側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]。

多次對環境激勵下橋梁響應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系，可獲得橋梁的固有振動頻率和模態值。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。環境振動的采樣頻率為500Hz，采樣時間1500s，環境振動測試測點布置圖如圖8所示。

圖8 橋梁模態測點布置圖(單位：m)

3.3 結果分析

(1)應變結果對比分析

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力區，實測應變值小于理論值，負應力區，實測應變值大于理論值，且兩者的變化規律趨同。應變最大校驗系數為0.80，與同類型橋梁的實測結果基本相同，工作性能較好。

圖9 各工況作用下各截面應力對比圖

(2)撓度結果對比分析

各控制截面在其加載工況下的橋面撓度測點實測結果和理論計算值見表2。

表2 箱梁各斷面撓度數據

根據表2中實測結果，可以看出試驗跨撓度校驗系數在0.64～0.80范圍內，實測撓度與理論計算結果的變化規律一致，滿足相關規范要求。通過規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，遠小于規范規定的允許值。

(3)動力特性對比分析

由拾振器采集的數據，通過模態識別，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進行模態分析，具體如圖10所示。

圖10 各階豎彎實測振型圖

根據實測各測點時域波形圖的頻譜分析結果，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，可以得出以下結論：

(1)在靜載試驗各工況下，控制截面的撓度與應變實測值均小于理論值和規范給定的允許值，其中應變和撓度校驗系數分別在0.50～0.65和0.64～0.80之間，均滿足規范要求。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%，相對殘余應變及相對殘余撓度滿足規范要求[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。