连续刚构桥拓宽后受力性能荷载试验研究

黄志斌，罗旗帜 *，叶均良

（1.佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东 佛山 528000；2.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225）

随着我国交通建设的蓬勃发展，早期运营的桥梁由于设计标准较低，通行能力和技术状况较差，已不能满足日益增长的交通发展需求，亟需采取桥梁拓宽改造等措施，来提高其桥梁的通行能力［1-2］。

根据桥梁横向连接的构造不同，箱梁桥的连接可分为柔性连接、半刚性连接和刚性连接3 种方式。其中，刚性连接是将两侧主梁翼缘的钢筋进行搭接，浇筑连接带的混凝土，使两侧主梁横桥向平顺连接，并在接缝处增设横隔板、桥面板和铺装层连成整体。由于刚性连接作用，使新旧箱梁桥能够共同有效承担后期荷载作用，增强了结构的整体性，改善了行车的舒适性，故该连接方式在大跨径箱梁拓宽改造中使用得也越来越多［3-9］。

桥梁荷载试验是验证桥梁受力性能最有效、最直接的方法，通过桥梁荷载试验可检验桥梁设计与施工质量，判断桥梁结构的实际承载能力，验证桥梁结构设计理论和设计方法的正确性等［10-12］。目前，对大跨径预应力混凝土连续刚构桥横向拼接的荷载试验研究较少，本文以某横向刚性连接的拓宽桥与旧桥为工程背景，利用数值分析软件与现场荷载试验进行对比分析，对刚性连接桥梁的结构性能进行安全评估。

1 工程概况

某拓宽桥与旧桥采用相同的桥梁结构形式，主梁为（60+2×100+60）m 变截面预应力混凝土连续刚构，分节段预制后吊装进行悬拼施工。箱梁采用C60 混凝土，单箱单室断面，顶板宽10.7 m，底板宽5.7 m。箱梁根部高5.8 m，跨中及边跨现浇段梁高2.5 m，箱梁梁高按2.0 次抛物线变化。主墩墩身采用单片薄壁柔性墩。墩身截面采用单箱单室结构，墩身纵桥向宽2.5 m，横桥向宽6.9 m。拓宽桥、旧桥的主墩基础相连为整体，上部结构在箱梁翼板处进行刚性连接，在箱梁根部和跨中处增设横隔梁连接，这使得上部结构形成双箱双室的断面形式，具体见图1 所示。设计荷载为公路-I 级，按2 车道计算（单向），不考虑人群荷载。

图1 桥梁结构示意图

2 计算分析

2.1 计算模型

采用桥梁结构专用分析软件MIDAS/FEA 对该旧桥、拓宽桥进行实体模型计算分析，计算模型考虑桩土效应作用，汽车荷载采用公路-I 级，详见图2 所示。

图2 桥梁计算分析模型

2.2 加载原则

为校验桥梁结构的工作性能和承载能力是否达到设计要求，复核工程的可靠性和安全度，对该桥进行加载试验分析，其试验荷载效率为

其中，荷载效率控制在0.8<η≤1.0，Sstat为试验荷载作用下检测部位变位或力的计算值，S 为设计标准活载作用下变位或力的计算值，δ 为设计取用的动力系数。

加载试验采用弯矩等效原则，选用8～12 辆约360 kN 加载车辆等效加载，其试验荷载效率在0.9～1.0 之间，满足规范［13］的要求，详见表1。

表1 试验弯矩荷载效率系数表

3 静载试验分析

3.1 挠度与应变分析

表2 为各截面加载实测的挠度和应变与理论计算值的比较情况，可以看出，各截面挠度和应变的校验系数均满足规范中“校验系数在0.7～1.05 之间”的要求。

表2 加载实测挠度与应变校验系数情况

表3 为各截面卸载后实测残余挠度和应变与实测的最大挠度和应变的比较情况，可以看出，各截面挠度和应变的残余系数均满足规范中“残余系数小于0.2”的要求。

表3 卸载实测挠度与应变残余系数情况

3.2 截面应变分布

图3～5 分别为A、B、C 截面应变沿截面高度的分布情况，可以看出，A、B、C 截面实测应变沿截面高度呈线性变化，线性相关系数R 分别为0.987 5、0.998 3 和0.990 6，符合平截面假定（n=5，置信度大于99%），其拟合中性轴高度分别为162.36 cm、306.02 cm 和151.44 cm，与其理论计算值162.14 cm、305.09 cm 和157.28 cm 一致，说明该桥整体受力情况良好，结构处于线弹性工作状态。

图3 A 截面应变分布图

图4 B 截面应变分布图

图5 C 截面应变分布图

3.3 实测挠度分析

实测挠度与理论挠度对比见图6 所示，可以看出，旧桥和拓宽桥实测挠度均小于理论计算值，且实测值与理论计算值曲线的变化趋势一致，结构刚度满足规范要求。同时，旧桥和拓宽桥的挠度相当，说明其刚性连接效果良好，桥梁处于整体受力状态。

图6 实测挠度与理论挠度对比图

4 动载试验分析

自振频率（特别是基频）是分析和评价桥梁结构刚度的重要指标，该桥的自振频率采用脉动法进行测试，运用时域法中的特征系统实现算法（ERA）进行模态拟合。从图7～10 及表4 可以看出，实测桥梁的阻尼比在正常范围内，实测前三阶振型与理论计算振型一致，实测频率略大于理论计算频率，说明旧桥和拓宽桥整体结构实际刚度略大于理论值，且其实际连接状况与设计理论相符。

表4 桥梁自振频率测试情况

图7 一阶振型图

图8 二阶振型图

图9 三阶振型图

图10 自谱分析图（一阶～三阶频率）

5 结论

本文以某横向刚性连接的连续刚构桥为背景，利用数值计算和荷载试验进行对比，通过分析评估，得出主要结论如下：

（1）箱型桥梁常用的拓宽型式有柔性连接、半刚性连接和刚性连接等3 种拼接型式，其中刚性连接刚度较大，不容易出现裂缝，能使桥面较为平顺，行车舒适性较好。

（2）通过刚性连接，拓宽桥有效承担了旧桥的部分荷载，有利于提高旧桥的承载能力。

（3）在翼缘板进行刚性连接，在箱梁根部和跨中处增设连接横隔梁，能有效使拓宽桥与旧桥形成统一整体，通过桥梁动静载试验，验证了两者协同受力良好。

（4）由于拓宽桥与旧桥的差异沉降和收缩徐变作用，横向刚性连接承受了较大的竖向剪力和转动刚度，因此应加强对该类拼接箱梁的变形、应力重发布和开裂情况的长期监测和日常养护。