大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋加固后荷載試驗(yàn)研究

李磊 王永偉

摘要：利用Midas/Civil對(duì)某橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)合某大橋加固后的實(shí)際情況，進(jìn)行了動(dòng)靜載試驗(yàn)，分析橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力、撓度、結(jié)構(gòu)的自振特性及在試驗(yàn)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，確定橋梁的承載能力是否滿足正常使用狀況的要求，評(píng)價(jià)橋梁加固效果。

Abstract： Midas/Civil is used to do structural analysis of bridge. According to the actual situation of a bridge after strengthing， dynamic and static load tests are carried out. The stress， deflection， natural vibration characteristics and dynamic response of bridge structure under loading are analyzed， the bearing capacity of the bridge are determined whether meets the requirements of normal service conditions or not， and the strengthing effect of bridge is evaluated.

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè);動(dòng)靜載試驗(yàn);動(dòng)力特性;加固后評(píng)價(jià)

Key words： bridge detection;dynamic and static load test;dynamic characteristics;post-strengthing evaluation

中圖分類號(hào)：U445.7+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）14-0068-04

1 ?工程概況

某橋全長577.32m，14跨，跨徑布置為4×30+60+120+60+7×30，主橋?yàn)?-7跨，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，左右分幅，設(shè)計(jì)荷載為：汽車超—20級(jí)，掛車—120級(jí)，設(shè)計(jì)車速：100km/h;橋面總寬：26m，橋面組成：0.5m（護(hù)欄）+11.5m（行車道）+1.5m（中央分隔帶）+11.5m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）=26m;地震的基本烈度為VI級(jí);設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

大橋主橋箱梁產(chǎn)生頂、底、腹板及預(yù)應(yīng)力錨固端產(chǎn)生不連續(xù)的縱向裂縫，底板產(chǎn)生橫向裂縫等主要病害。2017年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)第6跨箱梁跨中接縫處梁底橫向通長開裂，延伸至兩側(cè)腹板以上55～70cm，寬0.1～0.2mm，同時(shí)測(cè)量箱梁下?lián)?cm，于是采取了體外預(yù)應(yīng)力加固措施。

加固方案為提高縱向預(yù)應(yīng)力度，防止繼續(xù)下?lián)?，邊跨設(shè)置 4 束15.2-19體外預(yù)應(yīng)力索，中跨設(shè)置 6 束15.2-19體外預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行加固，同時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行注漿加固。施工完成后通過荷載試驗(yàn)對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 ?荷載試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為確定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的靜態(tài)參數(shù)，觀測(cè)在試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)混凝土變形的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)力變化規(guī)律，進(jìn)而判斷該橋主橋的加固后承載能力是否滿足正常使用狀況的要求，評(píng)價(jià)橋梁加固效果。

3 ?靜載試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)孔和測(cè)試截面的確定

由于該橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，因此選擇主橋中跨跨中（橫向裂縫位置處）、支點(diǎn)及邊跨0.4L截面作為內(nèi)力和撓度的關(guān)鍵控制測(cè)試截面。

3.2 測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中測(cè)試項(xiàng)目的規(guī)定和該橋的試驗(yàn)?zāi)康?，主要選取以下測(cè)試項(xiàng)目和控制截面進(jìn)行靜載試驗(yàn)，如圖1和表1。

3.3 理論計(jì)算

采用Midas/Civil 2017對(duì)該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。單幅橋橫向布置為3個(gè)車行道，計(jì)算時(shí)采用汽—超20級(jí)車道荷載，按3車道布載，并按照規(guī)范進(jìn)行橫向折減后與2車道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，取大值，設(shè)計(jì)活載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖，如圖2和圖3所示。根據(jù)實(shí)際車重在模型上進(jìn)行加載計(jì)算，在各個(gè)汽車試驗(yàn)荷載工況作用下的靜載效率見表2。

3.4 測(cè)點(diǎn)布置

3.4.1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

為了分析測(cè)試控制截面的應(yīng)力分布規(guī)律和受力性能，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)做如下布置：箱梁底板的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)沿底板橫向均布，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)（如圖4、圖6）;腹板的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)距底板10cm，沿腹板豎向均布3個(gè)測(cè)點(diǎn)（如圖5）。

3.4.2 撓度測(cè)點(diǎn)布置

在截面1-1、3-3的橋面位置設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)，布置如圖7所示;每一工況加載完成后對(duì)全橋縱向線形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置在邊跨和中跨四分點(diǎn)處，布置如圖8。

3.4.3 各個(gè)工況加載方式

工況1和工況2：5、6號(hào)墩跨中截面正彎矩的加載試驗(yàn)，加載分6級(jí)，每一級(jí)分級(jí)加載1輛加載車輛。

工況3：5號(hào)墩支點(diǎn)截面負(fù)彎矩加載，加載分7級(jí)，每一級(jí)分級(jí)加載1輛加載車輛。

工況4和工況5：4和5號(hào)墩箱梁0.4L位置的正彎矩的加載試驗(yàn)，加載分6級(jí)，每一級(jí)分級(jí)加載1輛加載車輛。

4 ?動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 跑車試驗(yàn)測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

跑車試驗(yàn)測(cè)試截面一般選擇在活載的作用下橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大的截面，根據(jù)本橋彎矩包絡(luò)圖的特點(diǎn)，車輛激勵(lì)試驗(yàn)觀測(cè)斷面應(yīng)布置在中跨跨中位置，車輛激勵(lì)試驗(yàn)加載車采用靜載試驗(yàn)加載車，見表3。

4.2 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置

加速度傳感器布置在橋面兩側(cè)，縱向測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

5 ?結(jié)果分析

5.1 撓度分析

對(duì)主橋的中跨跨中截面、P5墩頂附近截面、邊跨0.4L附近截面的撓度和應(yīng)變，進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試采集。統(tǒng)計(jì)得出撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.75～0.83之間，相對(duì)殘余撓度在4.2～11.8%之間，實(shí)測(cè)撓度值均小于理論撓度值，圖10～圖13給出了工況一、二、四、五的實(shí)測(cè)撓度和理論撓度比較圖。由圖比較可以看出，實(shí)測(cè)撓度值均小于理論撓度值，撓度最大值小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定;說明大橋主橋試驗(yàn)跨受力后，基本能恢復(fù)到初始狀態(tài)，處于彈性工作狀態(tài)，主橋撓度能夠滿足設(shè)計(jì)荷載（汽超—20）的正常使用要求。

5.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

該橋主橋試驗(yàn)跨工況一～工況五殘余應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)截面的相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?.9～16.6%之間，相對(duì)殘余應(yīng)變滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》不大于20%的要求。表4給出了該橋主橋梁工況一～工況五的實(shí)測(cè)應(yīng)變、理論應(yīng)變值以及校驗(yàn)系數(shù)。由表4可以看出，該橋主橋梁試驗(yàn)跨的實(shí)測(cè)應(yīng)變均未超出理論應(yīng)變，應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)在0.43～0.84之間，均滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)小于1的規(guī)定。

5.3 裂縫觀測(cè)

在加固后裂縫位置，布置裂縫觀測(cè)儀，觀察荷載試驗(yàn)時(shí)裂縫并未展開。

5.4 時(shí)域波形分析

該橋三跨自東向西每跨四分點(diǎn)均布3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中第4點(diǎn)（即第二跨自東向西第1個(gè)測(cè)點(diǎn)）為參考點(diǎn)。信號(hào)采集分成兩次，第一次采集1、2、3、4（參考）、5點(diǎn)，第二次采集b4（參考）、6、7、8、9點(diǎn)，采集的時(shí)域波形及頻譜如圖14、圖15。

5.5 三向振動(dòng)頻譜分析

在參考點(diǎn)位置附近布置三個(gè)互相垂直的傳感器，分別采集大橋主橋豎向、縱向、橫向的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析，得到三個(gè)方向的振動(dòng)頻譜如圖16所示，其中測(cè)點(diǎn)號(hào)1為豎向，測(cè)點(diǎn)號(hào)2為縱向（行車方向），測(cè)點(diǎn)號(hào)3為橫向。從圖中可以看出，光標(biāo)1處及光標(biāo)4處（0.95Hz及2.05Hz）橫向振動(dòng)幅值大于其他兩個(gè)方向，為該橋的橫向固有頻率;光標(biāo)2處（1.2Hz）縱向振動(dòng)幅值大于其他兩個(gè)方向，為大橋的縱向固有頻率;光標(biāo)3、5、6、7處（1.4Hz、2.5Hz、2.7Hz、3.8Hz）豎向振動(dòng)幅值大于其他兩個(gè)方向，為該橋的豎向前四階固有頻率。

5.6 自振頻率分析

大橋主橋自振頻率實(shí)測(cè)為1.41Hz，理論計(jì)算為1.38Hz，實(shí)測(cè)為理論計(jì)算值的1.02倍，表明大橋主橋橋梁豎向動(dòng)剛度與理論計(jì)算基本吻合。

5.7 振型分析

利用Midas civil2017建立主橋有限元模型，計(jì)算第1階豎向理論振型，如圖17所示;同時(shí)進(jìn)行振型擬合，得出實(shí)測(cè)振型擬合結(jié)果，如圖18。由圖可以看出水磨灣大橋主橋1階豎向振型實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果接近。

5.8 沖擊系數(shù)分析

根據(jù)歷程曲線圖進(jìn)行沖擊系數(shù)分析，各個(gè)工況下橋梁實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)如表5所示。

6 ?結(jié)論

①在試驗(yàn)荷載作用下，各截面測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度值均小于理論計(jì)算值。②在試驗(yàn)荷載作用下，各截面測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論計(jì)算值。③通過對(duì)中跨跨中截面橫向裂縫的觀測(cè)，在試驗(yàn)荷載作用下裂縫無明顯發(fā)展，橋梁未發(fā)現(xiàn)新增裂縫現(xiàn)象。④通過豎向振動(dòng)頻率分析可知，該大橋主橋第1階豎向彎曲振動(dòng)頻率1.41Hz，為理論計(jì)算值1.38Hz的1.02倍，說明主橋豎向動(dòng)剛度與理論計(jì)算基本吻合。⑤實(shí)測(cè)橋梁第1階豎向振型與理論計(jì)算的第1階豎向振型相接近，說明大橋的動(dòng)力特性良好;大橋主橋的阻尼比為1.083%，在橋梁阻尼比的正常范圍;橋梁最大沖擊系數(shù)為0.02，小于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的計(jì)算結(jié)果0.05，說明該大橋行車條件較好。

荷載試驗(yàn)是檢測(cè)加固后橋梁加固效果的最直接有效的方法。本文采用荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)了實(shí)例橋梁的承載能力，通過荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證該連續(xù)剛構(gòu)主梁經(jīng)過體外預(yù)應(yīng)力加固后滿足正常使用要求，達(dá)到預(yù)期加固效果。

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