大跨径预应力混凝土连续箱梁桥荷载试验分析

■吴明峰

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运重点试验室，福州 350004）

1 工程概况

某大桥跨越麻阳溪，全长320m，分离式双幅桥梁，总宽度29.5m， 桥型布置为 (82+146+82)m 预应力混凝土连续箱梁，左、右幅均采用单箱单室变截面型式。主墩采用实体墩，桥台采用肋式台，基础采用钻孔灌注桩基础。荷载设计等级为城-A 级。

通过对该新桥进行交工静载动载试验， 评价该桥结构承载能力是否满足设计荷载等级要求。

桥跨结构布置图和主跨横截面图分别见图1 和图2。

图1 桥跨结构布置图(单位：cm)

图2 主跨横截面图(单位：cm)

2 试验结果及分析

2.1 静载试验

2.1.1 试验工况

根据桥跨结构受力特点和病害情况， 选择左右幅第1 跨和第2 跨正弯矩截面及1 号墩支点负弯矩截面进行各试验工况，各试验工况见表1。

表1 静载试验加载工况

2.1.2 测点布置

(1)应变测点布置：第1 跨最大正弯矩截面和第2跨跨中截面及1 号墩支点截面箱梁粘贴胶基应变片，采用静态应变测试系统采集。 应变测点如图3 和图4 所示。

(2)挠度测点布置：第1 跨最大正弯矩截面和第2跨跨中截面的桥面两侧布置塔尺， 采用自动安平水准仪测量。挠度测点如图5 所示。

图3 第1 跨和第2 跨控制截面应变测点布置(单位：cm)

图4 1 号墩支点控制截面应变测点布置(单位：cm)

图5 挠度测点布置图(单位：cm)

2.1.3 静载试验结果

2.1.3.1 桥梁承载能力的评定方法

(1)校验系数

校验系数η 是评定结构工作状况， 确定桥梁承载能力的一个重要指标，可以从中判定桥梁结构的承载能力的工作状态。

实测结构校验系数?是试验的实测值与理论计算值的应力或挠度之比，它反映结构的实际工作状态。

η 值越小说明结构的安全储备越大，但η 值不宜过大或过小， 如η 值过大说明组成结构的材料强度可能较低，结构各部分联结性能较差，刚度较低等。η 值过小可能说明组成结构材料的实际强度及弹性模量较大，梁桥的混凝土铺装及人行道等与主梁共同受力， 支座摩擦力对结构受力的有力影响， 以及计算理论或简化的计算图式偏于安全等等。另外，试验加载物的称量误差、仪表的观测误差等对η 值也有一定的影响。

参照 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》 (1982 年10 月)，实测结构校验系数η 的常用值见表2。

表2 实测结构校验系数的常用值表

(2)相对残余变位(或应变)

残余变位(或残余应变)按下列下公式计算：

总变位(或总应变)St＝Sl－Si；

弹性变位(或弹性应变)Se＝Sl－Su；

残余变位(或残余应变)Sp＝St－Se＝Su－Si；

式中：Si——加载前测值；

Sl——加载达到稳定时测值；

Su——卸载后达到稳定时测值。

引入相对残余变位(或应变)的概念描述结构整体或局部进入塑性工作状态的程度。

加州鲈鱼苗培育池塘面积为2.3亩和1.8亩的两口土池塘，平均水深0.8m。据汤老板介绍，5月初加州鲈鱼苗有少量沿池塘边独自游动，体型瘦小，几天后数量逐渐增多，并看见鱼苗头部呈白色，每天有几十尾死亡，起初以为是细菌性疾病，泼洒了两次二氧化氯消毒药，死亡量反而逐步增加，吃食量也降低，这种情况持续了几天仍未好转。现场水质检测各指标：pH值为7.6，溶氧4.5mg/L，氨氮0.3mg/L，亚硝酸盐0.01mg/L，硫化氢＜0.05mg/L，水温19.5℃，水色为黄褐色，水质偏肥。

相对残余变位(或应变)按下式计算：

式中：S′p——相对残余变位(或应变)，Sp、St意义同前。

2.1.4 静载试验结果

(1)在试验荷载作用下，左幅第2 跨跨中正弯矩截面挠度校验系数为0.55，左幅第1 跨最大正弯矩截面挠度校验系数为0.54～0.55； 右幅第2 跨跨中正弯矩截面挠度校验系数为0.54～0.56， 右幅第1 跨最大正弯矩截面挠度校验系数为0.58，均低于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》 (1982 年10 月) 规定的常值范围 (0.70～1.05)；最大相对残余挠度为12.0%，低于 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》 (1982 年10 月)规定常值(20%)。各截面挠度值及校验系数见表3。

(2)在试验荷载作用下，左幅第2 跨跨中正弯矩截面应变校验系数为0.70～0.73， 左幅第1 跨最大正弯矩截面应变校验系数为0.60～0.61； 右幅第2 跨跨中正弯矩截面应变校验系数为0.73～0.74， 右幅第1 跨最大正弯矩截面应变校验系数为0.60～0.61。 各测试截面应变校验系数均低于或处于 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》 (1982 年10 月)规定的常值范围(0.7～1.05)，相对残余应变为7.1%， 均小于规定值20%。 左幅1 号墩支点负弯矩截面应变校验系数为0.53～0.60， 相对残余应变最大值为6.9%； 右幅1 号墩支点负弯矩截面应变校验系数为0.57， 相对残余应变最大值为5.3%。 各测试截面应变校验系数均小于 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》 (1982 年10 月)规定的常值范围(0.7～1.05)，相对残余应变均小于规定值20%。

各截面应变实测值、理论计算值及校验系数见表4和表5。

表3 第1 跨和第2 跨控制截面挠度分析表

表4 第1 跨和第2 跨控制截面应变分析表

表5 1#墩支点控制截面应变分析表

2.2 动载试验

(1)自振特性试验。

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比，以分析桥跨结构自振特性。自振特性试验桥面传感器测点布置如图6 所示。

图6 自振特性试验桥面传感器测点布置图(单位：cm)

(2)无障碍行车试验。

在无障碍行车速度20km/h、30km/h 和40km/h 状况下，测试桥梁第2 跨跨中截面冲击系数。

2.2.2 动载试验结果

(1)自振特性试验结果

桥跨结构实测竖向1 阶自振频率及振型图和理论值比较如表6 和图7 所示。

图7 实测与理论振型比较

表6 自振频率实测与理论值比较

自振特性试验结果表明，左幅和右幅主桥实测竖向1 阶自振频率分别为1.02Hz 和1.07Hz， 略大于理论计算值0.77Hz，实测振型与理论计算振型一致。

(2)无障碍行车试验结果

在桥面无障碍的情况下，采用1 辆载重汽车(单车总重约45t)以20km/h、30km/h 和40km/h 不同的速度在桥上行驶，测得第2 跨跨中的冲击系数和动挠度见表7，跨中截面动位移时程实测曲线见图8。

图8 无障碍行车跨中截面动应变时程

表7 第2 跨无障碍行车试验结果

由表7 可知， 在单车 (重约45t) 不同行车速度20km/h、30km/h 和40km/h 作用下， 左幅换算成标准汽车荷载的冲击系数分别为1.004、1.004 和1.005； 右幅换算成标准汽车荷载的冲击系数分别为1.004、1.004和1.009。 按 《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004)中冲击系数μ 的计算公式计算：当 时，则1+μ=1+(0.1716lnf-0.0157)=1.05(这里f 取桥面竖向一阶实测频率)。实测相当于标准汽车荷载的最大冲击系数为1.009，小于规范计算值(1+)=1.05， 桥梁冲击效应不明显。

3 结论

(1)静载试验结果表明：在试验荷载作用下，桥跨结构各截面挠度和应变校验系数均低于或处于 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》规定的常值范围；最大相对残余挠度和应变均低于 《大跨径混凝土桥梁的试验方法》规定常值(20%)。

(2)动力荷载试验结果表明：该桥左右幅主桥实测竖向1 阶自振频率为1.02Hz 和1.02Hz，均大于理论计算值0.77Hz， 实测振型与理论计算振型一致。 实测相当于标准汽车荷载的最大冲击系数为1.009，小于规范计算值(1+)=1.05，桥梁冲击效应不明显。

(3) 综上所述， 桥跨结构承载能力满足城-A 级设计荷载等级要求。