高平大桥V型墩连续梁原位荷载试验分析及加固对策

李永河

(广州大学 土木工程学院，广州 510006)

1 工程概况

高平大桥为钢筋混凝土V型墩连续梁斜桥，斜交角10°，桥长51 m，跨径组合8 m+35 m+8 m，桥面总宽32 m，桥面为双向6车道加双侧人行道布置。该桥的上部结构由10片矩形纵梁、11片横隔板及20 cm厚的桥面板共同组成，每个V型墩由墩底有横梁相连的10片矩形截面小V型墩组成，每片小V型墩的墩顶直接与对应的纵梁相固结，墩底横梁下设有10个橡胶支座支承在桩顶承台上。该桥于1997年建成，设计荷载:汽—20级，人群荷载3.0 kPa，验算荷载:挂车—100级。该桥结构立面图见图1所示。

该桥存在如下主要病害:①各梁跨中部位存在大量裂缝，许多裂缝宽度超过规范限值;②主跨跨中附近桥面明显下陷，最大下挠值13 cm，已严重危害桥梁安全。为掌握该桥的使用现状及承载能力，笔者对该桥进行了现场原位荷载试验，并分析病害成因，提出加固对策。

图1 桥梁立面图(单位:cm)

2 静载试验

静载试验是根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》［1］和《公路桥梁设计通用规范》［2］，以及有关的设计文件资料进行的，根据该桥的受力计算分析结果，并结合试验桥现场试验条件而制订的。

2.1 设计活载效应计算

活载效应计算是运用Midas桥梁计算专用软件，建立了该桥的空间板和梁组合有限元模型(图2)，共划分为1 164个梁单元和1 600个板单元。利用该有限元模型进行结构活载内力计算、并进行试验反应和自振特性的计算分析。

图2 空间有限元模型

利用动态规划加载法计算出该桥在设计荷载及验算荷载作用下，2#纵梁跨中截面最大正弯矩和1#纵梁V型墩与主跨相交的外侧截面最大负弯矩。其中2#纵梁的弯矩包络图如图3所示。鉴于该桥的各纵梁、V型墩均具有相同的结构构造，故由1#、2#纵梁、V型墩的设计内力可归纳出单片纵梁主要截面、V型墩与梁相交处4个根部截面的控制内力。

图3 2#纵梁的弯矩包络图

2.2 加载程序

为了获得结构试验荷载与变位及应力关系的连续性和防止结构意外损伤，加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后一次卸到零级荷载。加载位置与加载工况的确定主要依据的原则是:尽可能用最少的加载重车满足试验荷载效率，同时应考虑简化加载工况，缩短试验时间，在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况以某一检验项目为主，兼顾其他检验项目。

本桥采用汽车加载，需要4台重约30 t的重车。工况1为2台重车，工况2和工况3各为1台重车(试验荷载载位如图4所示)，通过三级加载，可使得1#、2#纵梁的跨中截面正弯矩、V型墩与纵梁相交外侧截面负弯矩、V型墩根部截面负弯矩达到加载效率。

2.3 主要测试结果及分析评定

图4 试验荷载载位(单位:cm)

图5 1#纵梁纵截面测点在试验荷载作用下的实测挠度曲线

图6 1#纵梁纵截面测点在试验荷载作用下的计算挠度曲线

在各级试验荷载作用下，桥梁实测变形曲线如图5，计算变形曲线如图6。在试验荷载作用下，主要测点的实测弹性挠度值与理论计算值的比值(校验系数)均在0.87～1.05之间，其中在工况3试验荷载作用下，最大弹性挠度实测值为18.4 mm，对应的理论计算挠度为19.2 mm，两者的比值为0.96。由图5、图6挠度分布图可知，纵梁两端测点与理论计算结果反号，说明靠近梁端的V型墩斜撑和纵梁的节点与理想状态差异较大。

在各级试验荷载工况的作用下，各截面主要应变测点的实测最大弹性应变值与计算值比较如表1所示，在工况3(满载)试验荷载作用下，跨中(A-A)截面2#纵梁下缘测点的最大弹性应变值为355×10－6，而对应的理论计算最大应变值为305×10－6，校验系数为1.16，不能满足规范的要求。

表1 工况3(满载)下应变测点的实测值与计算值比较 ×10－6

3 动载试验

动载试验主要内容是测试桥梁结构的自振特性、受迫振动特性及振幅、加速度幅值。试验采用一辆重约100 kN的汽车，在桥面上分别进行速度20 km/h、40 km/h、60 km/h的跑车及跳车试验，由 DASP动态数据采集系统进行数据采集及分析。动态测试的5个测点沿主线梁中线布置。其自振频率及振型计算结果如表2所示，计算所得的该桥一阶振型如图7所示，实测加速度时程曲线及频谱图如图8所示。动测数据分析表明:该跨桥一阶自振频率为3.809 Hz，而对应的理论计算一阶频率为3.844 Hz，实测频率小于理论计算值，说明该桥实际刚度偏小，振动响应较大，行车性能较差。

表2 自振频率及振型计算结果

图7 一阶振型——全桥正对称竖弯

图8 加速度时程曲线及频谱图

4 结论及加固建议

1)该桥各纵梁主跨范围裂缝较多、桥面跨中部位明显下挠、纵梁两端与支承垫石脱空、桥面人行道板开裂、桥台护坡开裂淘空，纵梁混凝土抗压强度未能满足设计强度要求，且纵梁混凝土碳化深度值较大，混凝土性能有所退化。静动载试验检测表明:桥梁结构虽处于线性工作阶段，但工作性能较差，部分检测指标不能满足《设计规范》及《试验方法》的要求。

2)根据检测结果及该桥实际病害情况，在审阅该桥设计图纸后发现该桥存在主跨和副跨的跨径划分不够合理、纵梁端部支座缺失等先天缺陷，为保证该桥的安全运营，建议进行加固，具体措施建议如下:①增设体外预应力束，粘贴钢板，以解决梁体跨中下挠、改善工作性能、增大梁体刚度、增强结构的安全储备;②在纵梁端部增设橡胶支座;③将桥端至V型墩的3 m桥跨范围用钢筋混凝土填实，以改善不合理的主跨和副跨的跨径划分现状，避免跨中梁体进一步下挠，并使梁端主动压在增设的橡胶支座上。

［1］中华人民共和国交通部.YC4—4/1978 大跨径混凝土桥梁的试验方法［S］.北京:人民交通出版社，1992.

［2］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［3］施洲，蒲黔辉，勾红叶.曲线梁—斜跨拱组合钢桥结构分析与试验研究［J］.铁道建筑，2009(12):26-30.