大跨度有損傷連續(xù)梁荷載試驗數(shù)據(jù)與損傷分析

鄭舟軍 史慧彬 黃海洋

(1.浙江交工高等級公路養(yǎng)護有限公司 舟山 316034； 2.浙江滬杭甬高速公路股份有限公司 310016)

1 工程背景

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋于2004年建成，主跨布置為80 m+150 m+80 m，左、右幅分幅建造。上部結(jié)構(gòu)截面布置為單箱單室，底寬6.0 m、頂寬10.8 m，主墩支點處截面高9.0 m，跨中截面高3.0 m。主橋下部結(jié)構(gòu)采用實體墩和鉆孔灌注樁。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①設(shè)計行車速度，60 km/h；②橋面寬度，按雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋梁全寬 22.5 m；③設(shè)計荷載，汽車-超 20 級；驗算荷載：掛車-120。④地震烈度，按七度設(shè)防；⑤通航標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)一個主通航孔，凈高 21 m，凈寬 130 m，設(shè)計最高通航水位為 3.09 m。橋梁立面見圖1。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

該橋于2015年首次發(fā)現(xiàn)中跨跨中合龍段底板存在少量橫向裂縫，經(jīng)過裂縫封閉處治后病害持續(xù)擴展，于2020年上半年進行了特殊檢查和靜動載試驗[1-3]，下半年進行了橋梁維修加固。檢查大橋中跨合龍段箱梁，發(fā)現(xiàn)有規(guī)律的底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，其中5條裂縫寬度超過JTG/T J21-2011 《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》限值，箱梁內(nèi)外裂縫位置基本一致。歷年線形測量結(jié)果表明該橋中跨跨中撓度相比成橋時下?lián)霞s13.5 cm，接近計算跨徑的1/1 000。本文對本次荷載試驗和2004年成橋荷載的數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)合精細化空間有限元模擬跨中結(jié)構(gòu)損傷，對大橋的荷載試驗數(shù)據(jù)和損傷程度進行進一步分析和研究。

2 荷載試驗概況

2004年大橋交工驗收前檢測單位對該橋進行了成橋靜動載試驗，試驗采用三軸載重汽車(300 kN)，右幅橋梁9個工況，左幅橋梁5個工況，獲得了橋梁的初始受力狀態(tài)和參數(shù)。

2020年大橋加固前對該橋進行了靜動載試驗，試驗采用三軸載重汽車(350 kN)，對左幅橋梁分8個工況進行加載，掌握了橋梁現(xiàn)狀受力狀態(tài)和參數(shù)。

鑒于該橋在歷年定期檢查中發(fā)現(xiàn)中跨跨中存在底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，為了了解橋梁跨中截面的損傷狀況及橋梁自身受力狀態(tài)的演變過程，本文將對比2次荷載試驗的實測結(jié)果，并對大橋損傷狀況進行分析和評價。2次荷載試驗在中跨跨中最大正彎矩加載工況下的試驗基本數(shù)據(jù)見表1，加載輪位見圖2。由于計算模型和方式存在一定差異，造成2次荷載試驗加載參數(shù)存在一定差異，但總體基本一致，可以進行對比分析。

表1 2次荷載試驗加載參數(shù)

圖2 跨中截面加載工況輪位布置(單位:m)

3 靜載試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 跨中截面試驗數(shù)據(jù)

3.1.1混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)

中跨跨中截面是橋梁設(shè)計的重要控制截面，本橋該截面位置存在嚴重病害，分析該處最大正彎矩工況作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)尤為重要。本次試驗和成橋試驗的跨中截面應(yīng)變測試結(jié)果見表2。

表2 跨中截面應(yīng)變測試結(jié)果

成橋荷載試驗得到的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)普遍較小，表明新建橋梁其剛度較好。頂板位置校驗系數(shù)為0.34～0.39，相對偏低，分析其原因可能與該橋橋面鋪裝調(diào)平層采用10 cm鋼纖維混凝土有關(guān)，這將大幅提高頂板剛度，而在理論計算時未考慮其貢獻。

本次荷載試驗時，跨中截面底板混凝土已開裂，嚴格來說其測試結(jié)果僅為名義應(yīng)變，并不能完全代表結(jié)構(gòu)的真實受力。但跨中截面底板應(yīng)變校驗系數(shù)也為0.69～0.76，遠大于成橋試驗結(jié)果，說明試驗時結(jié)構(gòu)響應(yīng)偏大。需要指出的是混凝土名義應(yīng)力用作計算的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)是不準(zhǔn)確的。頂板應(yīng)變的實測值和校驗系數(shù)數(shù)值在2次試驗中基本一致。

3.1.2跨中裂縫寬度數(shù)據(jù)

在中跨跨中最大正彎矩工況加載時，對跨中截面上底板和腹板的典型裂縫寬度進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表3，表中數(shù)據(jù)從檢測報告摘錄。

表3 跨中截面裂縫寬度結(jié)果

由表3可見，試驗過程中底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫均有不同程度的增加，確證該裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫，對橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)耐久性有影響。裂縫寬度殘余率不超3%，說明試驗荷載作用下未造成結(jié)構(gòu)二次損傷，推測混凝土結(jié)構(gòu)主筋未出現(xiàn)材料屈服。

3.2 墩頂截面應(yīng)變分析

墩頂截面最大負彎矩加載工況下，墩頂截面結(jié)構(gòu)應(yīng)變的實測情況見表4，表中數(shù)據(jù)從檢測報告摘錄。

表4 墩頂截面的試驗應(yīng)變結(jié)果

由表4可見，總體而言，墩頂截面由于結(jié)構(gòu)剛度大，又處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，截面應(yīng)力水平不大，會影響試驗實測值的精度。本次荷載試驗結(jié)果顯示，墩頂截面的實測應(yīng)變和校驗系數(shù)相比成橋荷載試驗結(jié)果有較大幅度增量，其中底板最大校驗系數(shù)接近1。加載過程中未發(fā)現(xiàn)墩頂截面有混凝土開裂等異常現(xiàn)象，但其校驗系數(shù)偏大，說明墩頂截面荷載作用效應(yīng)增加，推測可能是由于材料性能降低或邊界條件發(fā)生變化。

3.3 跨中撓度數(shù)據(jù)分析

跨中截面最大正彎矩工況作用下主梁跨中最大撓度測試結(jié)果見表5。對比2次荷載試驗結(jié)果，雖然兩者荷載稍有差異，但是本次試驗撓度值遠大于成橋荷載試驗，其中對稱加載工況跨中撓度增加36%，偏載加載工況跨中撓度增加99%，本次荷載試驗結(jié)果撓度校驗系數(shù)偏大。

表5 跨中撓度試驗結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)損傷程度分析

4.1 跨中損傷程度

上述荷載試驗的輪位計算和計算值是按結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)進行的，而實際結(jié)構(gòu)如存在明顯的損傷，特別是在上述試驗結(jié)果中也證實結(jié)構(gòu)存在損傷，建立更加精確的計算模型并考慮已經(jīng)確證的結(jié)構(gòu)損傷，在此基礎(chǔ)上得到的損后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，更具有實際意義且有助于發(fā)現(xiàn)其它損傷。根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受力原理，當(dāng)混凝土出現(xiàn)受拉而開裂后，受拉混凝土退出受力狀態(tài)，鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線繼續(xù)受力。

新計算模型采用三維實體單元建模，根據(jù)跨中裂縫分布情況考慮開裂區(qū)混凝土處于不受力狀態(tài)，而鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線繼續(xù)受力，計算得到修正理論值見表6。

表6 跨中截面損后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)分析

根據(jù)外觀檢查和試驗結(jié)果，跨中截面上底板的應(yīng)變和裂縫寬度存在顯著增加，使應(yīng)變實測值和校驗系數(shù)只代表名義值，真實受力情況應(yīng)對所在位置對應(yīng)方向的主筋應(yīng)力進行測試。由于試驗過程中未對鋼筋受力進行檢測，采用綜合考慮混凝土應(yīng)變和裂縫寬度變化量估算底板試驗總應(yīng)變實測值。在測試得到截面混凝土應(yīng)力的基礎(chǔ)上，根據(jù)外觀檢查結(jié)果底板橫向裂縫間距大約在50 cm，裂縫寬度增加量折算混凝土的應(yīng)變約為320×10-6，然后得到試驗總應(yīng)變實測值。最后得到底板的損后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.50～0.51，頂板的損后校驗系數(shù)0.49～0.61，總體趨于合理。

4.2 墩頂截面損傷程度分析

采用空間實體模型分別計算跨中結(jié)構(gòu)完好和結(jié)構(gòu)損傷2種模型，與本次實測結(jié)果進行對比，結(jié)果見表7。

表7 墩頂截面損后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)分析

由表7可見，跨中損傷對墩頂截面應(yīng)變有一定影響，截面頂?shù)装鍛?yīng)變將增加約5%。采用空間實體模型計算得到的未考慮損傷和損傷狀態(tài)的校驗系數(shù)為0.55～0.79，符合常規(guī)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)通常范圍，可以判斷墩頂截面不存在明顯結(jié)構(gòu)損傷。

4.3 跨中損傷程度

采用空間實體模型分別計算跨中結(jié)構(gòu)完好和結(jié)構(gòu)損傷2種模型，與本次實測結(jié)果進行對比，結(jié)果見表8。

表8 跨中撓度損后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)分析

由表8可見，在跨中截面最大正彎矩工況對稱加載時，未考慮損傷時結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.64，考慮損傷后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.56～0.57，仍稍大于成橋荷載試驗，主要是環(huán)境及材料影響造成抗力折減，但總體符合橋梁建成十多年的實際現(xiàn)狀。在跨中截面最大正彎矩工況偏載加載時，未考慮損傷時結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.85～0.99，考慮損傷后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.75～0.88，說明偏載作用下?lián)隙刃?yīng)仍偏大，確證了跨中截面損傷。針對損傷后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)仍小幅偏大，結(jié)合橋梁實際裂縫分布，推測該側(cè)腹板的損傷可能比模擬狀況嚴重。

5 動載試驗數(shù)據(jù)分析和解讀

5.1 動載數(shù)據(jù)試驗

橋梁的動載試驗[4]是為了測定橋梁結(jié)構(gòu)自身的動力特性，如結(jié)構(gòu)的自振頻率，阻尼特性及固有振型等，掌握引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的作用力數(shù)值、方向、頻率和作用規(guī)律等，同時也測定動荷載作用下強迫振動的動力響應(yīng)。在成橋荷載試驗中進行動載試驗是為了獲取橋梁初始狀態(tài)的動力性能參數(shù)，建立基準(zhǔn)初始資料。在服役橋梁中進行動載試驗主要是了解橋梁動力性能的變化趨勢，輔助了解結(jié)構(gòu)性能的受損等狀況。2次動載試驗的實測結(jié)果見表9。

表9 2次動載試驗實測結(jié)果

由表9可見，結(jié)構(gòu)阻尼比反映結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散，本次動載試驗測試阻尼比結(jié)果較成橋大幅增加。本橋中跨豎向振動一階頻率減小5.39%，各階次豎向振動頻率有小幅增加，主要原因是結(jié)構(gòu)的豎向剛度有一定的折減。

5.2 動載數(shù)據(jù)損傷

動載試驗的計算值和實測值有一定的差異，動力數(shù)據(jù)沒有結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)一說，其主要反映全橋整體性能的重要受力參數(shù)指標(biāo)，跟結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布密切相關(guān)。動力性能計算對計算模型的建模精度要求極高，不但要求精確模擬承重結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量，更要求模擬橋面鋪裝和防撞護欄等附屬設(shè)施的實際剛度貢獻和質(zhì)量。在橋梁自重不變的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)頻率的變化趨勢實際上是結(jié)構(gòu)整體剛度的變化。

以往很多學(xué)者采用模態(tài)分析手段進行損傷識別，從理論上是完全可行的。按照上述損傷計算模型分別計算了無損結(jié)構(gòu)和跨中損傷結(jié)構(gòu)的各階頻率變化，結(jié)果見表10。

表10 考慮中跨跨中損傷后各階頻率計算值對比表

根據(jù)表10計算結(jié)果，跨中損傷對結(jié)構(gòu)部分豎向頻率有顯著影響，對橫向振動頻率的影響稍小，影響較大的豎向振動頻率變化量為3%～5%。具體分析影響較大的振動模態(tài)，當(dāng)損傷位置離振動模態(tài)零軸越遠，其頻率變化量就越大，反之同理。頻率變化量較大的3個振型圖見圖3，分別是豎向振動的1階、3階和5階模態(tài)。

圖3 損傷敏感的振動振型

由圖3可見，本次動載試驗結(jié)果顯示第1階和第3階豎向振動頻率有較大幅度減小，符合橋梁跨中存在損傷狀況的計算結(jié)果。

在實踐過程中，對于交通量較大的高速公路、城市快速路，封橋進行靜載試驗是比較困難的，但進行動載試驗的條件相對容易達到。可以利用上述規(guī)律采用動力響應(yīng)數(shù)據(jù)或曲率模態(tài)進行損傷判斷，同時也可以在加固后采集動力數(shù)據(jù)進行對比分析，利用動力響應(yīng)數(shù)據(jù)變化狀況輔助評價加固效果[5]。

6 結(jié)語

1) 對比分析2次荷載試驗實測結(jié)果，跨中截面荷載效應(yīng)實測值較成橋狀況有較大幅度增加，通過實體模型考慮跨中截面損傷后計算損傷后結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)總體趨于合理，證實橋梁跨中截面存在顯著損傷，大橋需要及時維修加固。

2) 建議對帶有明顯損傷橋梁的荷載試驗，在制定荷載試驗方案時考慮結(jié)構(gòu)損傷對結(jié)構(gòu)安全的影響，合理設(shè)定試驗加載效率；對已開裂混凝土結(jié)構(gòu)，建議在試驗中測試主筋受力，提高對已開裂混凝土或潛在開裂區(qū)域的測試精度；在動載試驗時應(yīng)掌握前一次試驗的實測值，對損傷敏感的頻率和振型重點檢測，提高檢測精度。

3) 荷載試驗得到的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)是評判結(jié)構(gòu)實際狀況的重要指標(biāo)，檢測單位應(yīng)重視理論計算值的準(zhǔn)確性。