預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋荷載試驗研究

朱強

（杭州市交通工程試驗檢測中心有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

隨著我國交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，交通量及車輛載重的不斷提高，老舊橋梁的承載能力能否滿足現(xiàn)行交通量的需求，最直接有效的方法對橋梁進行荷載試驗，通過荷載試驗判斷橋梁承載能力，但在檢測過程中，應(yīng)加強荷載試驗的要點控制，提高檢測的準(zhǔn)確性，從而保證橋梁正常安全使用。

1 工程概況

某高架橋中心樁號為K1 ＋244.15，橋梁全長1235.6m，跨徑組合為（22m ＋33m ＋2×30m）＋（4×31.825m）＋（30m ＋50m ＋30m）＋（4×30m）＋（4×30m）＋（3×30m）＋（85m ＋120m ＋85m）＋（30m ＋30m ＋50m ＋30m）＋（4×30m）。除第3 聯(lián)、第7 聯(lián)為預(yù)應(yīng)力變截面箱梁外，其余均為預(yù)應(yīng)力等截面箱梁。第7 聯(lián)跨徑布置為85m ＋120m ＋85m，上部結(jié)構(gòu)主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，梁高及底板尺寸以1.8 次拋物線變化，右偏角90°。下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋面鋪裝采用9cm 厚瀝青混凝土＋防水層＋10cm 厚C50 水泥混凝土。兩側(cè)以及中間設(shè)置混凝土護欄。橋面寬度為單幅橋?qū)?.5m護欄＋1.5m 硬路肩＋3.75m 輔助車道＋2×3.75m 行車道＋0.75m 路緣帶＋0.75m 中央分隔帶＝14.75m；設(shè)計車道為雙向六車道；設(shè)計荷載為公路-I 級。

2 靜載試驗內(nèi)容

2.1 試驗跨選擇

對擬試驗跨進行外觀檢查，選擇具有代表性、跨徑較大或最大、技術(shù)狀況最差的橋跨作為荷載試驗跨，同時試驗跨應(yīng)方便架設(shè)檢測平臺、設(shè)置測點、實施加載、方便采集試驗數(shù)據(jù)等。該橋測試選擇了最大跨徑為（85m+120m+85m）的橋跨作為荷載試驗跨。

2.2 試驗工況及測試截面的選擇

利用橋梁空間分析程序MIDAS/CIVIL 進行建模分析，確定試驗橋跨的彎矩包絡(luò)圖、位移包絡(luò)圖，根據(jù)包絡(luò)圖確定最不利受力截面，然后確定相應(yīng)的荷載試驗工況。該橋荷載試驗確定了6 個控制截面，10 個工況。橋梁分析計算模型見圖1，主梁試驗控制截面見圖2，各試驗項目的理論控制值和試驗效率見表1。

表1 橋梁各試驗項目的理論控制值和試驗效率

圖1 橋梁分析計算模型

圖2 主梁試驗控制截面示意圖（單位：cm）

工況1（Ⅰ-Ⅰ截面）：邊跨四分點最大正彎矩偏載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況2（Ⅰ-Ⅰ截面）：邊跨四分點最大正彎矩作用中載下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況3（Ⅱ-Ⅱ截面）：邊跨0.42L 最大正彎矩偏載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況4（Ⅱ-Ⅱ截面）：邊跨0.42L 最大正彎矩作用中載下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況5（Ⅲ-Ⅲ截面）：中支點最大負(fù)彎矩中載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）；

工況6（Ⅳ-Ⅳ截面）：中跨四分點最大正彎矩偏載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況7（Ⅳ-Ⅳ截面）：中跨四分點最大正彎矩作用中載下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況8（Ⅴ-Ⅴ截面）：中跨跨中最大正彎矩偏載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況9（Ⅴ-Ⅴ截面）：中跨跨中最大正彎矩作用中載下的應(yīng)變（應(yīng)力）和撓度；

工況10（Ⅵ-Ⅵ截面）：邊支點最大剪力中載作用下的應(yīng)變（應(yīng)力）。

2.3 測點布置

第一，應(yīng)變測點應(yīng)具有代表性，其布置應(yīng)能夠真實地反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利的受力特征，并在滿足結(jié)構(gòu)分析的同時，方便計算；第二，測點布置要有針對性，以滿足試驗要求，同時還要通過測點的布置突出現(xiàn)場檢測工作的重點，如預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁正彎矩區(qū)底板必須布設(shè)測點，負(fù)彎矩區(qū)頂板必須布置測點；第三，為保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性，控制截面的測點數(shù)量應(yīng)足夠多，以免測點遭到破壞或者失效，同時測點布設(shè)應(yīng)便于安裝儀器及采集數(shù)據(jù)，以保證現(xiàn)場測試工作的安全開展；第四，剪力測點應(yīng)沿左右腹板布設(shè)，撓度測點應(yīng)布置在縱橋向彎矩包絡(luò)圖確定的控制截面處，此外，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橫橋向測點布設(shè)不得少于3 個，且測點應(yīng)沿軸線對稱布設(shè)；第五，編寫檢測方案時，應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)注應(yīng)變、位移測點位置，便于現(xiàn)場實施；第六，位移測點分別布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ截面時，每個截面底板應(yīng)布置5 個測點，Ⅲ-Ⅲ、Ⅵ-Ⅵ截面作為支點沉降修正，每個截面布置2 個測點；應(yīng)變測點分別布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ截面時，每個截面箱室外底板應(yīng)布置7 個應(yīng)變測點，箱室外左右腹板各布置2 個應(yīng)變測點，箱室內(nèi)每個箱室頂板布置3 個測點；Ⅵ-Ⅵ截面，左右腹板分別布置一組剪力測點[1]。

2.4 應(yīng)變傳感器和位移傳感器的選擇

目前應(yīng)變的測試方法主要有電阻式和振弦式兩種，電阻式應(yīng)變片價格相對便宜，精度高，現(xiàn)場能通過采集系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)，但是對貼片質(zhì)量要求很高，如果應(yīng)變片現(xiàn)場粘貼不好，數(shù)據(jù)會失真。振弦式傳感器是通過在橋梁結(jié)構(gòu)上安裝底座以實現(xiàn)協(xié)同變形，振弦式傳感器抗干擾能力強，安裝和數(shù)據(jù)采集較方便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。因此，該應(yīng)變測量采用振弦式應(yīng)變傳感器。同時，位移測試時可選擇百分表、千分表、精密水準(zhǔn)儀、高精度全站儀等設(shè)備，其中百分表、千分表適合方便搭設(shè)支架、凈空不高且撓度理論值小于5mm時的橋梁；精密水準(zhǔn)儀操作簡單，能夠自動觀測和記錄，適用中小跨徑的橋梁位移測量；高精度全站儀測量精度高，能夠360°自尋目標(biāo)、自動跟蹤、自動照準(zhǔn)、自動測量，測試效率高，檢測數(shù)據(jù)可實時上傳至電腦，且跨徑越大，高精度全站儀優(yōu)勢越明顯，其能夠更好地保證現(xiàn)場檢測效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)檢測條件選擇最有效的檢測方法，為此該位移測量選擇高精度全站儀。

2.5 靜載試驗測試結(jié)果

工況1：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.59～0.70之間，相對殘余應(yīng)變最大值為10%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.46～0.54 之間，相對殘余變位最大值為10.2%，小于20%。

工況2：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.57～0.70之間，相對殘余應(yīng)變最大值為11.7%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)位于0.57～0.69 之間，相對殘余變位最大值為3.1%，小于20%。

工況3：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.63～0.71之間，相對殘余應(yīng)變最大值為10.0%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.56～0.61 之間，相對殘余變位最大值為8.8%，小于20%。

工況4：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.60～0.75之間，相對殘余應(yīng)變最大值為11.1%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.68～0.77 之間，相對殘余變位最大值為5.8%，小于20%。

工況5：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.45～0.77之間，相對殘余應(yīng)變最大值為16.7%，小于20%。

工況6：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.63～0.76之間，相對殘余應(yīng)變最大值為18.2%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.51～0.66 之間，相對殘余變位最大值為8.8%，小于20%。

工況7：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.43～0.67之間，相對殘余應(yīng)變最大值為18.8%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.69～0.75 之間，相對殘余變位最大值為3.5%，小于20%。

工況8：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.66～0.76之間，相對殘余應(yīng)變最大值為12.1%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.39～0.48 之間，相對殘余變位最大值為7.4%，小于20%。

工況9：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.69～0.75之間，相對殘余應(yīng)變最大值為15.4%，小于20%，主要撓度測點校驗系數(shù)介于0.50～0.54 之間，相對殘余變位最大值為5.9%，小于20%。

工況10：主要應(yīng)變測點校驗系數(shù)介于0.55～0.75之間，相對殘余應(yīng)變最大值為10.2%，小于20%，

由上可知，主要應(yīng)變測點的校驗系數(shù)最大值為0.77，相對殘余應(yīng)變最大值為18.8%，撓度測點的校驗系數(shù)最大值為0.77，相對殘余變位應(yīng)變最大值為10.2%；符合《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）中校驗系數(shù)小于1，相對殘余小于20%的規(guī)定，表明試驗跨在設(shè)計荷載（公路-I 級）作用下，處于彈性工作狀態(tài)，其剛度和強度滿足設(shè)計要求。

3 動載試驗內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性（振型、頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)）是橋梁承載力評定的重要參數(shù)，同時也是識別橋梁結(jié)構(gòu)工作性能和橋梁抗震分析的重要參數(shù)。該測試中橋梁結(jié)構(gòu)動力參數(shù)主要有：結(jié)構(gòu)振型、基頻、阻尼比、沖擊系數(shù)等。

3.1 自振特性

橋梁自振頻率、振型、阻尼比測試時，試驗設(shè)備選用DH5907N 無線橋梁模態(tài)測試分析系統(tǒng)（東華測試）。模態(tài)測試縱向共布置13 個測點，邊跨按4 分點進行布置，中跨按8 分點進行布置，橫橋向位于中心線上，傳感器采用豎向加速度/速度傳感器。動載試驗理論計算模型采用靜載試驗建立的計算模型。通過計算，該橋理論計算的一階豎向振動頻率f=0.823Hz，實測一階豎向振動頻率f=1.123Hz，阻尼比為0.754%。由此可見，試驗跨的實測振動頻率值較理論計算值高，表明實測結(jié)果反映的結(jié)構(gòu)豎向剛度比理論計算反映的結(jié)構(gòu)剛度大，因此試驗跨整體剛度能夠達到設(shè)計要求，且試驗跨結(jié)構(gòu)的阻尼比處于正常范圍。實測第一階豎向振型見圖3。

圖3 實測第一階豎向振型圖

3.2 沖擊系數(shù)

橋梁動力響應(yīng)試驗包括無障礙跑車試驗、跳車試驗、剎車試驗；無障礙跑車試驗車速宜保持在5～80km/h，跑車時車速應(yīng)保持勻速。跳車試驗時弓形障礙物布置在結(jié)構(gòu)變位最大的部位，速度宜保持在5～20km/h；剎車試驗時，速度宜保持在30～50km/h；跑車試驗時速度的選擇應(yīng)考慮設(shè)計車速、橋面寬度、橋面坡度等諸多因素。此外，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場檢測情況來確定需要幾輛加載車，當(dāng)單輛車的動力響應(yīng)不明顯時，需要增加到兩輛或多輛，車輛應(yīng)橫向并排同時跑車，在跑車過程中，要保證車輛的橫向間距不變。在測試橋梁沖擊系數(shù)時，控制截面應(yīng)選取橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)幅值最大的截面。采用動撓度測試時，每個截面測點不應(yīng)少于1 個，采用動應(yīng)變測試時，每個截面測點數(shù)不宜少于2 個，對于每個車速工況而言，通常需要進行2～3 次重復(fù)試驗。

試驗設(shè)備選用北京光電撓度儀（BJQN-5B），采用載重汽車在不同車速時的跑車試驗，并對無障礙行車試驗進行動撓度數(shù)據(jù)采集。跑車試驗中，車輛速度定為20km/h、30km/h、40km/h，沖擊系數(shù)分別為0.012、0.016、0.031，小于規(guī)范計算值0.05[2]。

4 結(jié)語

通過將上述測試結(jié)果與《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中的等效設(shè)計荷載（公路-I 級）對比可知，該高架橋第7 聯(lián)的強度、剛度均滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。橋梁荷載試驗是確定橋梁承載能力最有效、最直接的方法，其能夠直接反映出橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，從而為橋梁的維修和養(yǎng)護提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，在實際的檢測過程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進行操作，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。希望通過預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁荷載試驗，能為同類型橋梁荷載試驗提供參考依據(jù)，進而保障橋梁工程的安全運營。