变截面预应力混凝土箱梁桥荷载试验分析

2020-05-15刘大鹏

石家庄铁路职业技术学院学报 2020年1期

刘大鹏

（中交远洲工程咨询有限公司河北石家庄 050035）

1 引言

桥梁荷载试验是新建桥梁，特别是大跨度、复杂结构的桥梁竣工验收和质量评定的重要手段。通过荷载试验可以考证桥梁的施工质量和结构受力性能，判定桥梁结构的实际承载能力，确定桥梁的实际运营状况和使用条件，为竣工验收、投入运营使用提供科学的依据[1]。

我国预应力混凝土连续桥的建造在近20年来得到广泛的发展，桥梁的跨越能力不断提高，连续梁桥的结构体系不断增多，新建了大量的变截面预应力混凝土箱梁桥。依据《公路工程质量检验评定标准》[2]对新建成的桥梁应进行荷载试验，对桥梁的主要质量指标进行测试和分析，对新建桥梁的质量进行评定，检验桥梁结构特性及其工作状态是否满足设计标准和使用要求，以保证桥梁今后的安全运营。

文章以某变截面预应力混凝土箱梁桥为依托，对变截面预应力混凝土箱梁桥的荷载试验和承载能力评定方法进行了探究，具有较大的现实意义和工程应用前景。

2 桥梁概况

某变截面预应力混凝土箱梁位于城市快速路上，上部结构跨径组合为38+55+75+55+38m，全桥共分一幅，全宽30m，桥面布置为：0.35m护栏+3.4m人行道+2.5m非机动车道+2×3.5m行车道+0.25m路缘带+3m中央分隔带+0.25m路缘带+2×2.5m行车道+2.5m非机动车道+3.4m人行道+0.35m护栏。桥梁主跨采用钢箱梁拱装饰，装饰拱与主梁之间采用拉索连接。

主桥采用整幅单箱六室直腹板预应力混凝土变截面连续箱梁，端部梁高1.9m，边跨墩顶梁高3.4m，中跨墩顶梁高4.8m，跨中梁高1.9m，箱梁底板线型按1.8次方程曲线设置。箱梁顶板宽29.8m，底板宽26.0m。桥面1.5%的横坡由箱梁腹板变高度形成。

桥梁设计荷载：城-A级

设计速度：40km/h；

桥梁结构设计基准期：100年；

横坡：机动车和非机动车道1.5%，人行道1.5%。

此桥荷载试验的依据主要为：《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233-2015）、《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）、《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）及试验桥梁相关设计图纸以及现场调查资料。

3 桥梁静载试验

静力试验的目的在于通过荷载试验，测定关键截面的应力、变形和裂缝发展情况，并与理论计算值作对比，以综合判断整个桥梁现在的工作状态和承载能力[1]。

3.1 静载试验加载方案

对连续箱梁桥进行理论分析可知，在跨中截面正弯矩比较大，在支点截面负弯矩比较大。也就是说跨中截面和支点截面在使用过程中出现损坏的可能比较大[3]。因此，选取跨中截面和支点截面作为控制截面。本次静载试验荷载的大小和加载位置按照内力等效原则，即采用静载试验荷载效率进行控制[4][5][6]。

本次荷载试验分8 个工况分别为：边跨最大正弯矩偏心加载、边跨最大正弯矩对称加载、次边跨跨中位置偏心加载、次边跨跨中位置对称加载、中跨跨中位置偏心加载、中跨跨中位置对称加载、4#墩顶负弯矩偏心加载、3#墩顶负弯矩偏心加载，每工况分4 级加载。本次荷载试验选用8 辆38 吨普通后八轮卸车进行加载，静载效率计算结果见01。根据现行规范和评定规程静力荷载试验效率，对验收性荷载试验其值应大于或等于0.85，且不得大于1.05，对鉴定性荷载试验，其值应大于或等于0.95，且不得大于1.05。此次荷载试验的静力荷载试验效率在0.98～1.04 之间，满足现行规范和评定规程的要求。

表1 试验车荷载效率计算结果表

3.2 试验控制断面

依据《城市桥梁检测与评定技术规范》（GJJ/T 233-2015）的测试断面选取原则，结合桥梁结构及现场情况，本次选取第3、4、5 孔进行静、动载试验检测。共5 个控制断面：J1～J5。控制断面具体位置及说明如下，示意图见错误！未找到引用源。。

图1 静载试验控制截面位置示意图（单位：cm）

J1 断面：5#孔最大正弯矩断面，距离4#墩中心线22.20m；J2 断面：4#墩最大负弯矩断面，位于4#墩中心线处；J3 断面：4#孔最大正弯矩断面，距离4#墩中心线27.50m；J4 断面：3#墩最大负弯矩断面，位于3#墩中心线处；J5 断面：3#孔最大正弯矩断面，距离3#墩中心线37.5m。

3.3 应变测点布置

J1、J3、J5 断面应变测点布置图见错误！未找到引用源。；J2、J4 断面应变测点布置图见错误！未找到引用源。。图中腹板应变测点均沿腹板高度三等分分布。3#墩负弯矩应变测点以J4 断面纵向偏移1.30m，4#墩负弯矩应变测点以J2 断面纵向偏移1.05m。

图2 J1、J3、J5 断面应变测点布置图

图3 J2、J4 断面应变测点布置图

3.4 挠度测点布置

挠度各测试断面位置见错误！未找到引用源。，边跨最大正弯矩、次边跨、中跨跨中位置挠度测点布置见错误！未找到引用源。，支点、四分点挠度测点布置见错误！未找到引用源。。

图4 挠度测试断面布置图

图5 边跨最大正弯矩、次边跨、中跨跨中位置挠度测点布置图

图6 支点、四分点挠度测点布置图

3.5 静载试验结果

3.5.1 应变测试结果

试验荷载下第3 孔箱梁的应变校验系数为0.68～0.77，第4 孔箱梁的应变校验系数为0.65～0.74，第5 孔箱梁的应变校验系数为0.59～0.87，3#墩顶负弯矩的应变校验系数最大值为0.49，4#墩顶负弯矩的应变校验系数最大值为0.66。实测应变校验系数均小于1.00，表明该桥试验孔整体强度良好，满足设计荷载（城—A 级）的使用要求。

各级试验荷载作用下，控制测点荷载效应与实测混凝土应变的线性比例关系较好，表明桥梁处于较好的弹性工作状态。3 孔～5 孔箱梁在正弯矩偏载工况下，控制断面应变沿梁高呈线性分布，表明桥梁在试验荷载下，结构处于弹性工作状态，符合平截面假定。

该桥控制断面主要测点的相对残余应变在6.55%～10.90%之间，均未超过20%，表明该桥在试验荷载作用下，具有良好的弹性恢复能力。

3.5.2 挠度测试结果

试验荷载下第3 孔箱梁的挠度校验系数为0.52～0.54，第4 孔箱梁的挠度校验系数为0.53～0.59，第5 孔箱梁的挠度校验系数为0.53～0.58。挠度校验系数均小于1.00，横向分布规律与理论接近，表明该桥试验孔整体刚度性能和横向联系均良好，满足设计荷载（城—A 级）的使用要求。

各正弯矩工况作用下，3 孔～5 孔各控制断面挠度分布与理论挠度曲线接近，表明桥跨结构纵向受力性能良好。控制断面主要测点的相对残余变形在0.31%～6.22%之间，均未超过20%；说明该桥在试验荷载作用下，具有良好的弹性恢复能力。

3.5.3 残余应变（变形）结果

该桥控制断面主要测点的相对残余应变在6.55%～10.90%之间，控制断面主要测点的相对残余变形在0.31%～6.22%之间。残余应变和残余变形均未超过20%，说明该桥试验孔在试验荷载作用下，具有良好的弹性恢复能力。

3.5.4 裂缝观测结果

在试验过程中，各试验孔控制断面未发现受力裂缝产生，表明结构抗裂性较好，满足设计荷载（城—A 级）的使用要求。

4 桥梁动载试验

结构的动力分析主要研究结构在动荷载作用下的力学行为，其主要内容包括确定结构的自振特性以及动力激励源作用下结构的响应[6]。通过检测桥梁的自由振动特性及在竖向动荷载(车辆移动与冲击)作用下的强迫振动反应，判断桥梁结构的整体刚度和行车性能，从而评价桥梁的动力性能。此次桥梁动载试验包括测试桥跨结构的自振频率和冲击系数。