預應力混凝土連續剛構橋梁試驗檢測技術研究

白英勇

（貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

橋梁試驗檢測對確定橋梁結構所處受力狀態，以及荷載作用下的表現，都有十分重要的作用與意義，但試驗檢測是一項專業度很高的工作，一方面要制定合理可行的試驗檢測方案，另一方面要對各項試驗檢測結果進行深入分析，這樣才能為橋梁結構性能的綜合分析與評價提供可靠的參考依據。

1 項目概況

某橋梁總長約399.8m，其平面處在一個半徑為600m、緩長為80m 的曲線段，縱坡為2.9%。該橋梁包含左右兩幅，橋面寬度相同，均為11.75m，行車道凈寬為10.75m，在兩側分別設置墻式護欄，為鋼筋混凝土結構，底部寬度為0.5m。該橋梁跨徑組合為64m+115m+64m+30m+30m+30m+30m+30m，主橋采用連續剛構，跨徑布置為64m+115m+64m，引橋采用連續槽形梁，跨徑布置為30m+30m+30m+30m+30m。該橋梁主橋上部結構采用預應力混凝土變截面箱梁，截面形式為單箱單室，兩端與中跨跨中處的梁高相同，均為2.5m，墩頂根部梁高為6m，其他截面的高度變化呈二次拋物線形式。該橋梁主橋下部結構為薄壁墩與鉆孔灌注樁。現結合該預應力混凝土連續剛構橋的實際情況，對其試驗檢測技術作如下分析。

2 分析方法確定

在靜力計算過程中主要采用下列兩種方法進行分析：第一，借助一維桿系模型通過計算找到目標橋跨上的最不利截面，將其視作檢測控制截面，并為等效試驗荷載找到適宜的分布方式，最后計算主梁試驗截面對應的最大設計控制內力及等效試驗荷載內力[1]。第二，根據橋跨整體空間構造，借助三維實體單元對等效試驗荷載持續作用下各檢測點應力和發生的結構變形進行分析。在動力計算過程中，通過對實體構建專門的有限元模型，確定自由振動特性。

3 試驗檢測方案

3.1 試驗檢測內容

3.1.1 靜力反應測試

基于試驗荷載的持續作用，確定目標橋跨上的控制孔跨于最不利截面部位的具體反應，包括橋跨典型部位撓度、梁體是否開裂，并明確裂縫擴展趨勢和分布規律、橋跨典型截面位置對應的應力分布情況、橋梁整體結構彈性及其恢復特性，即缺陷部位受荷載作用后的變形表現特性[2]。

3.1.2 動力反應測試

第一，單車勻速直線從目標橋跨上通過，按照30km/h 和50km/h 兩種速度從橋跨上勻速通過，對主梁結構應力和位移之間的時程曲線進行統計與記錄。第二，使勻速行駛的車輛在預先指定的位置，從高度為10cm 的跳車板上越過，對主梁結構應力和位移之間的時程曲線進行統計與記錄。第三，使保持在勻速行駛狀態的車輛在預先指定的位置制動，對主梁結構應力和位移之間的時程曲線進行統計與記錄[3]。

3.2 截面與測點布置

借助有限元程序，計算試驗檢測開始前，橋梁結構在活載持續作用下產生的內力和變形情況，找出最大內力所在的截面及最大變形位置。根據以上試驗檢測內容及試驗檢測的基本任務要求，綜合考慮結構構造的主要特點及各項理論計算成果后，進行測點布置，具體測點布置形式如圖1 所示。在圖1中，Y 表示靜應力測點，DY 表示動應力測點，W 表示靜位移測點，DW 表示動位移測點，YH 表示應變花，ZD 表示振動特性測點。

圖1 各截面的測點布置形式

3.3 試驗荷載確定

3.3.1 靜載試驗

試驗時采用的車輛，其理論總重量確定為400kN，遵循設計與試驗兩種荷載對控制截面施加的作用會產生等效內力及變形反應的基本原則，確定具體加載工況。通過對不同加載工況下的荷載效應系數進行計算得到相應結果，結果在1～1.04 范圍內，符合相關試驗規程的要求[4]。

3.3.2 動載試驗

動載試驗的試驗荷載實際上就是試驗所用車輛的重量。根據現有相關文獻資料，在動載試驗過程中，將效率系數確定為1 為宜。然而，由于在單車試驗條件下很難使效率系數達到1，而在多車試驗條件下相鄰兩臺試驗車輛之間的距離很難控制，所以為了使行車速度達到要求，在動載試驗過程中使用的試驗車輛的重量不可過大。同時，為確保試驗過程中能使目標橋梁結構出現一定程度的激振反應，在動載試驗過程中使用的試驗車輛的重量也不可太小。綜合考慮目標橋梁結構各方面的特點，最終將動載試驗所用試驗車輛的重量確定為400kN。

3.4 靜載試驗工況

根據相關計算結果可知，不同截面主梁產生的最大反應與荷載布置方式相對應，按照試驗荷載等效原則，同時為提高現場試驗檢測效率，最終決定針對不同加載工況，分別實施靜載試驗。

4 試驗檢測結果及分析

4.1 靜載試驗

4.1.1 結構撓度

基于試驗荷載的持續作用，目標橋梁不同工況下的實測最大撓度及其理論值與相應的校驗系數如表1所示，根據表1 數據結果可知：

表1 目標橋梁不同工況下的實測最大撓度及其理論值與相應的校驗系數（單位：mm）

第一，每個測點產生的位移都和結構在荷載作用下產生的變形保持的定性趨勢保持一致，即所有測點產生的位移都在預期之內，無異常位移[5]。第二，AA 截面在工況5 下產生的變形屬于最不利，其最大撓度值為21.44mm；B-B 截面在工況2 下產生的變形屬于最不利，其最大撓度值為7.06mm，但實測撓度值和橋跨比值都處在相關技術規范提出的允許限度之內，即不超過1/600L。第三，在不同工況下，位移校驗系數在0.73～0.95 的范圍內變化，其平均值經計算等于0.82。根據現有相關文獻資料，該目標橋梁的撓度檢驗系數通常需保持在0.7～1 范圍內，這說明該橋梁受檢橋跨的實測撓度結果符合相應的變形規律[6]。

通過對實測結果和理論分析值之間的對比可知，該目標橋梁受檢橋跨在試驗荷載作用下產生的變形性能基本正常，主梁上不同截面位置產生的變形均比相應的理論計算值小，說明主梁結構剛度與相關規范及設計提出的要求相符，整體結構具有良好的受力性能。

4.1.2 結構應力/應變

目標橋梁不同檢測截面在不同工況下的應力/應變實測結果如表2 所示。根據表2 結果可知，實測應力/應變主要存在以下特征：第一，各測點對應的實測結果都能反映出當前加載工況下受檢橋跨結構受力具有的分布趨勢，不同測點對應的應力量值可綜合反映出此檢測截面在荷載作用下的彎矩情況。第二，基于對稱荷載的持續作用，各對稱測點的實測應變從總體上看有良好的對稱性。第三，目標橋梁受檢橋跨結構的實測應力/應變結果遵循的分布趨勢和理論計算結果基本一致，即一致性良好[7]。

表2 目標橋梁不同檢測截面在不同工況下的應力/應變實測結果（單位：MPa）

根據現有相關文獻資料可知，該目標橋梁正常情況下的應力檢驗系數通常需保持在0.6～0.9 范圍內。從以上試驗數據可以看出，目標橋梁受檢橋跨結構應力校驗系數在上述范圍內，經計算，相應的平均值等于0.77，比推薦范圍的上限值小。可見，目標橋梁受檢橋跨結構的實際強度滿足設計要求，受荷載作用后表現出的應力無異常，完全適應設計荷載提出的承載力等性能要求。

4.1.3 彈性恢復特性

卸除試驗荷載后，繼續對測點產生的位移與應力數據進行動態采集，根據卸載完成后的實測位移和應力可知，主梁因試驗荷載作用產生的位移可以很快恢復，相比之下應力恢復速度較慢。相較于一般受彎構件對應的實測結果，目標橋梁受檢橋跨結構彈性恢復速度處于正常范疇，基于正常條件下的設計荷載作用，受檢橋跨結構的彈性反應性能可以達到要求[8]。

4.2 動載試驗

為確定目標橋梁受檢橋跨結構的動力特性能否達到相關設計要求，根據實際的結構尺寸進行空間三維建模，以此對受檢橋跨結構振型及基本振動頻率進行計算，具體結果如表3 所示。

表3 部分工況下截面應力

目標橋梁通過動載試驗主要解決以下兩方面問題：第一，對目標橋梁進行動力特性測試，在測試過程中對激勵信號影響下受檢結構不同測點產生的脈動波形與余振波形進行記錄，以此確定受檢結構的基本動力特性，包括振型、頻率與阻尼。第二，為受檢結構施加與實際使用狀態基本相同的動載荷，即模擬實際使用狀態，然后在記錄的同時深入分析受檢結構產生的動應力與動變形，并確定相應的動力系數，最終得出橋梁結構受動荷載持續作用后表現出的振動特性，即強迫振動特性。

在受檢橋跨結構跨中處安裝傳感器，對受檢橋跨結構在試驗行車條件下表現出的振動反應進行測試。通過深入分析目標橋梁受檢橋跨結構強迫振動余振時程曲線和各測點的動應變、動位移與強迫振動對應的時程曲線，可得出以下結果：第一，受檢橋跨結構振動基頻的實測結果為0.49Hz，比相應的理論計算結果略大；第二，受檢橋跨結構阻尼系數的實測結果為0.079，比普通鋼筋混凝土橋梁對應的阻尼值略大；第三，受檢橋跨結構荷載沖擊系數實測結果為邊跨1、中跨1.091，均比相關技術規范規定的取值略大[9]。

根據以上試驗結果可以看出，受檢橋跨結構自身動力剛度比相應的理論設計值略大，但受檢橋跨結構的沖擊系數和阻尼系數也都相對較大，因此總體來看，目標橋梁受檢橋跨結構的動力性能合格。

5 結論

經以上橋梁試驗檢測實例分析，可得出下列結論：第一，該目標橋梁受檢橋跨結構的靜載試驗應力實測結果與撓度實測結果都和相關理論成果基本相符，不存在太大的相對差異。總體來看，實測值比相應的理論值小，說明目標橋梁受檢橋跨結構的實際剛度比相應的理論值略大。第二，該目標橋梁受檢橋跨結構的工作狀況良好，在受到設計確定的最不利活載持續作用后，受檢結構依然處在良好的彈性狀態。第三，該目標橋梁受檢橋跨結構的實測自振特性和相應的理論計算結果良好吻合，頻率的實測結果比理論計算結果略高，說明受檢橋跨結構的動力性能良好。第四，受檢橋跨結構受動載作用后表現出的沖擊系數相對較大，這可能對橋梁的正常使用造成一定程度的不利影響。