連續(xù)剛構(gòu)橋拓寬后受力性能荷載試驗(yàn)研究

黃志斌，羅旗幟 *，葉均良

（1.佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528225）

隨著我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，早期運(yùn)營的橋梁由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，通行能力和技術(shù)狀況較差，已不能滿足日益增長的交通發(fā)展需求，亟需采取橋梁拓寬改造等措施，來提高其橋梁的通行能力［1-2］。

根據(jù)橋梁橫向連接的構(gòu)造不同，箱梁橋的連接可分為柔性連接、半剛性連接和剛性連接3 種方式。其中，剛性連接是將兩側(cè)主梁翼緣的鋼筋進(jìn)行搭接，澆筑連接帶的混凝土，使兩側(cè)主梁橫橋向平順連接，并在接縫處增設(shè)橫隔板、橋面板和鋪裝層連成整體。由于剛性連接作用，使新舊箱梁橋能夠共同有效承擔(dān)后期荷載作用，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，改善了行車的舒適性，故該連接方式在大跨徑箱梁拓寬改造中使用得也越來越多［3-9］。

橋梁荷載試驗(yàn)是驗(yàn)證橋梁受力性能最有效、最直接的方法，通過橋梁荷載試驗(yàn)可檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的正確性等［10-12］。目前，對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橫向拼接的荷載試驗(yàn)研究較少，本文以某橫向剛性連接的拓寬橋與舊橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用?shù)值分析軟件與現(xiàn)場荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)剛性連接橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行安全評(píng)估。

1 工程概況

某拓寬橋與舊橋采用相同的橋梁結(jié)構(gòu)形式，主梁為（60+2×100+60）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，分節(jié)段預(yù)制后吊裝進(jìn)行懸拼施工。箱梁采用C60 混凝土，單箱單室斷面，頂板寬10.7 m，底板寬5.7 m。箱梁根部高5.8 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.5 m，箱梁梁高按2.0 次拋物線變化。主墩墩身采用單片薄壁柔性墩。墩身截面采用單箱單室結(jié)構(gòu)，墩身縱橋向?qū)?.5 m，橫橋向?qū)?.9 m。拓寬橋、舊橋的主墩基礎(chǔ)相連為整體，上部結(jié)構(gòu)在箱梁翼板處進(jìn)行剛性連接，在箱梁根部和跨中處增設(shè)橫隔梁連接，這使得上部結(jié)構(gòu)形成雙箱雙室的斷面形式，具體見圖1 所示。設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級(jí)，按2 車道計(jì)算（單向），不考慮人群荷載。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)專用分析軟件MIDAS/FEA 對(duì)該舊橋、拓寬橋進(jìn)行實(shí)體模型計(jì)算分析，計(jì)算模型考慮樁土效應(yīng)作用，汽車荷載采用公路-I 級(jí)，詳見圖2 所示。

圖2 橋梁計(jì)算分析模型

2.2 加載原則

為校驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能和承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，復(fù)核工程的可靠性和安全度，對(duì)該橋進(jìn)行加載試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)荷載效率為

其中，荷載效率控制在0.8<η≤1.0，Sstat為試驗(yàn)荷載作用下檢測部位變位或力的計(jì)算值，S 為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載作用下變位或力的計(jì)算值，δ 為設(shè)計(jì)取用的動(dòng)力系數(shù)。

加載試驗(yàn)采用彎矩等效原則，選用8～12 輛約360 kN 加載車輛等效加載，其試驗(yàn)荷載效率在0.9～1.0 之間，滿足規(guī)范［13］的要求，詳見表1。

表1 試驗(yàn)彎矩荷載效率系數(shù)表

3 靜載試驗(yàn)分析

3.1 撓度與應(yīng)變分析

表2 為各截面加載實(shí)測的撓度和應(yīng)變與理論計(jì)算值的比較情況，可以看出，各截面撓度和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范中“校驗(yàn)系數(shù)在0.7～1.05 之間”的要求。

表2 加載實(shí)測撓度與應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)情況

表3 為各截面卸載后實(shí)測殘余撓度和應(yīng)變與實(shí)測的最大撓度和應(yīng)變的比較情況，可以看出，各截面撓度和應(yīng)變的殘余系數(shù)均滿足規(guī)范中“殘余系數(shù)小于0.2”的要求。

表3 卸載實(shí)測撓度與應(yīng)變殘余系數(shù)情況

3.2 截面應(yīng)變分布

圖3～5 分別為A、B、C 截面應(yīng)變沿截面高度的分布情況，可以看出，A、B、C 截面實(shí)測應(yīng)變沿截面高度呈線性變化，線性相關(guān)系數(shù)R 分別為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%），其擬合中性軸高度分別為162.36 cm、306.02 cm 和151.44 cm，與其理論計(jì)算值162.14 cm、305.09 cm 和157.28 cm 一致，說明該橋整體受力情況良好，結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)。

圖3 A 截面應(yīng)變分布圖

圖4 B 截面應(yīng)變分布圖

圖5 C 截面應(yīng)變分布圖

3.3 實(shí)測撓度分析

實(shí)測撓度與理論撓度對(duì)比見圖6 所示，可以看出，舊橋和拓寬橋?qū)崪y撓度均小于理論計(jì)算值，且實(shí)測值與理論計(jì)算值曲線的變化趨勢一致，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。同時(shí)，舊橋和拓寬橋的撓度相當(dāng)，說明其剛性連接效果良好，橋梁處于整體受力狀態(tài)。

圖6 實(shí)測撓度與理論撓度對(duì)比圖

4 動(dòng)載試驗(yàn)分析

自振頻率（特別是基頻）是分析和評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)，該橋的自振頻率采用脈動(dòng)法進(jìn)行測試，運(yùn)用時(shí)域法中的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA）進(jìn)行模態(tài)擬合。從圖7～10 及表4 可以看出，實(shí)測橋梁的阻尼比在正常范圍內(nèi)，實(shí)測前三階振型與理論計(jì)算振型一致，實(shí)測頻率略大于理論計(jì)算頻率，說明舊橋和拓寬橋整體結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度略大于理論值，且其實(shí)際連接狀況與設(shè)計(jì)理論相符。

表4 橋梁自振頻率測試情況

圖7 一階振型圖

圖8 二階振型圖

圖9 三階振型圖

圖10 自譜分析圖（一階～三階頻率）

5 結(jié)論

本文以某橫向剛性連接的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，利用?shù)值計(jì)算和荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，通過分析評(píng)估，得出主要結(jié)論如下：

（1）箱型橋梁常用的拓寬型式有柔性連接、半剛性連接和剛性連接等3 種拼接型式，其中剛性連接剛度較大，不容易出現(xiàn)裂縫，能使橋面較為平順，行車舒適性較好。

（2）通過剛性連接，拓寬橋有效承擔(dān)了舊橋的部分荷載，有利于提高舊橋的承載能力。

（3）在翼緣板進(jìn)行剛性連接，在箱梁根部和跨中處增設(shè)連接橫隔梁，能有效使拓寬橋與舊橋形成統(tǒng)一整體，通過橋梁動(dòng)靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩者協(xié)同受力良好。

（4）由于拓寬橋與舊橋的差異沉降和收縮徐變作用，橫向剛性連接承受了較大的豎向剪力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該類拼接箱梁的變形、應(yīng)力重發(fā)布和開裂情況的長期監(jiān)測和日常養(yǎng)護(hù)。