新建变截面连续箱梁桥静动载试验与性能评价

2021-04-12王燕张飞

铁道建筑 2021年3期

王燕张飞

（福建江夏学院工程学院，福州 350108）

大跨度桥梁竣工后需要进行成桥荷载试验，将试验结果作为评定工程质量优劣和结构性能是否达到设计要求的重要指标［1］。桥梁荷载试验包括静载试验和动载试验，广泛应用于新建、改建和加固的各类型桥梁，是检验结构性能和工作状态最直接有效的方法［2-6］。现有桥梁荷载试验的研究［7-10］中，通过静载试验中控制截面的应力、应变和挠度校验系数来评价桥梁的承载能力，通过测点的相对残余应变来评价桥梁的弹塑性工作状态；通过动载试验中结构的自振特性和冲击系数评价桥梁的动力特性。受偏载扭转翘曲效应和箱梁剪力滞效应影响，现场试验中同一截面横向各测点的结构受力状态是不同的，需要对结构效应横向分布不均匀程度进行测定，以达到检验和优化原结构设计参数的目的。

本文以尤溪水东大桥主桥为工程背景，开展静载试验、环境脉动试验和无障碍行车试验，分析桥梁的强度、刚度、自振特性、动力响应等技术指标，检验桥梁的设计和施工质量，评价结构的承载能力和工作性能，为桥梁的竣工验收和投入运营提供理论依据。

1 工程概况

尤溪水东大桥位于福建省省道304线火甲坑至尤溪城关公路段，其市区侧主桥为一联（36+56+36）m 预应力混凝土变截面连续箱梁桥。全桥按双向4车道设计，设计荷载为公路-Ⅱ级。主梁分左右两幅，单幅桥面宽12 m，横桥向布置为0.25 m 栏杆+3.75 m 人行道+7.50 m 行车道+0.50 m 防撞护栏。单幅桥采用变截面单箱单室斜腹板箱梁，支点处梁高3.4 m，跨中梁高1.9 m，梁底曲线按二次圆曲线变化。箱梁顶板宽12 m，两侧悬臂长2.5 m，底板宽5.1 ～6.1 m，腹板斜率为3∶1。

下部主墩采用薄壁花瓶墩，墩身和基础单幅设置，墩身厚1.6 m，承台厚2.5 m，基础为双排4 根直径1.5 m 的钻孔灌注桩基础。支座采用GPZ（KZ）系列抗震盆式橡胶支座，9#墩设置GPZ（KZ）15GD 和GPZ（KZ）15DX 型，10#墩设置GPZ（KZ）15DX 和GPZ（KZ）15SX 型。主梁除0 号块及边跨直线段采用支架现浇外，其余梁段采用对称悬臂浇筑施工，共划分6个悬浇梁块，长度为3 ～4 m。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立全桥有限元模型，全桥离散为118 个梁单元。9#墩支点处除了绕横桥向转动自由外，其他自由度全部约束。8#，10#，11#墩支点处除了绕横桥向转动和纵桥向平动自由外，其他自由度全部约束。静力计算时考虑预应力张拉后钢束截面效应的换算截面积和惯性矩，采用公路-Ⅱ级车道荷载。采用子空间迭代法进行结构自振特性分析，将主梁自重和二期恒载转换为x，y，z方向的质量。

3 静载试验

3.1 静载试验评价指标

1）结构校验系数η是静载试验中对比结构实际状态和理论状态的评价指标，其表达式为

式中：Se为试验工况下测点弹性应变或挠度的实测值；Ss为试验工况下测点应变或挠度的理论计算值。

若η不大于1，表明实际结构具有良好的工作性能，承载能力具有一定的安全储备。

2）横向增大系数ζ是反映结构效应横向不均匀分布程度的评价指标。其表达式为

式中，Semax为试验工况下同一截面横向各测点弹性应变或挠度的最大值；-Se为试验工况下同一截面横向各测点弹性应变或挠度的平均值。

ζ越小，荷载横向分布越均匀，偏载引起的扭转翘曲效应越不显著。对于箱形截面梁桥，一般要求ζ不大于1.15，此时主梁的抗扭刚度大，整体性和横向连接情况良好。

3）相对残余应变或挠度ΔS是反映结构弹性工作状态的评价指标。其表达式为

式中：Sp为试验工况下测点残余应变或挠度的实测值；St为试验工况下测点总应变或挠度的实测值。

ΔS越小，结构越接近弹性工作状态。一般要求ΔS小于20%。

错误分析理论（Error Analysis）的提出是二语习得领域的一个新发展，同时它的兴起和出现也成为从事语言教学的工作者和学者们一个全新的研究视角。美国应用语言学家Fries和其他一些研究者在二语习得中系统地研究语言的错误现象，并提出错误分析理论。到二十世纪六七十年代，该理论被英国语言学家科德（S.P.Corder）进一步发展后最终形成错误分析理论。

3.2 试验截面与测点布置

通过有限元模型对主桥进行静力分析，得到结构在车辆荷载作用下的弯矩包络图，选取结构最不利受力截面作为试验控制截面，包括：①8#—9#墩边跨最大正弯矩截面（A-A），距离8#墩中心15 m，大致位于0.4L（L为跨度）位置；②9#墩墩顶最大负弯矩截面（B-B），考虑横隔板构造，选取距离9#墩中心2 m 位置；③9#—10#墩主跨最大正弯矩截面（C-C），位于跨中。选取8#—9#墩边跨和9#—10#墩主跨的L/4，L/2，3L/4 作为挠度测试截面，编号依次为1—6。静载试验测试截面布置见图1。

图1 静载试验测试截面布置（单位：cm）

根据控制截面的弯矩影响线确定静载试验的车辆重量和加载位置，以截面弯矩等效原则设计试验荷载工况，并满足JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》［11］中试验荷载效率为0.95 ～1.05的要求。静载试验工况与控制截面对应，见表1。

表1 静载试验工况

为分析偏载下结构受力状态沿横向的分布情况，每个箱梁断面的顶底板各布置3 个应变测点，全桥共计18 个应变测点。每个箱梁断面设置2 个挠度测点，1 个位于防撞护栏内边缘，1 个位于人行道缘石处，全桥共计12个挠度测点。断面测点布置见图2。每次加载前采集数据初值，持荷时间满足15 min 后测读测点效应，卸载稳定15 min后测读测点残余应变。

图2 断面测点布置（单位：cm）

试验中采用4辆后双排轴平头载重汽车，车重和载重共40 t。前轴重10 t，后双轴重30 t，前中轴距4.3 m，后双轴距1.4 m。加载汽车沿横向布置2辆，采取偏载的布置形式。横向轮位布置参见图2。

3.3 应变测试结果

不同试验工况下各截面测点应变及评定参数、相对残余应变分别见表2 和表3。其中，拉应变为正，压应变为负。

由表2 可知，各测试截面测点的应变实测值均小于理论值，应变校验系数为0.59 ～0.89，表明结构有良好的工作性能，强度具有一定的安全储备。同一测试截面顶底板的应变横向增大系数为1.02 ～1.07，满足箱梁桥横向增大系数不大于1.15的要求，表明荷载横向分布均匀，主梁抗扭刚度大，整体性好，因偏载作用引起的约束扭转正应力较小。

表2 不同试验工况下各截面测点应变及评定参数

表3 不同试验工况下各截面测点相对残余应变

由表3可知，卸载后大部分测点无残余应变，少数测点出现残余应变。相对残余应变最大值为6%，出现在主跨跨中截面的箱梁底板，但远小于JTG/T J2l—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》［12］中的限值20%，表明结构大部分位置处于弹性工作状态。

3.4 挠度测试结果

表4 不同试验工况下各截面挠度及校验系数

不同试验工况下各截面测点挠度见图3。可知，各测试截面的挠度实测值均小于理论值，且二者沿桥梁纵向的变化规律比较一致。同一测试截面上2个测点的挠度实测值相差较小，表明荷载横向分布较均匀，结构的整体性好。

图3 不同试验工况下各截面测点挠度

4 动载试验

4.1 动载试验的内容和方法

桥梁动载试验是通过测试桥梁在动载作用下的响应，分析其固有频率、阻尼比、振型等自振特性，以及车辆荷载作用下的位移或应变的动力响应，进而分析冲击作用。上述参数是宏观评价桥面平整度、结构整体刚度、运营性能，以及耗散外部振动能量的重要指标［13-15］。

本文采用脉动法和行车激振法进行动载试验。脉动法利用周围环境引起结构发生的振动响应进行自振特性测试。行车激振法通过不同车速的行车激振测定结构的动应变时程曲线和冲击系数。实测冲击系数是确定车辆荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，反映了桥梁结构的行车性能和桥面的平整度，同时检验原设计冲击系数［16］。

4.2 环境脉动试验

测试自振特性时，按照结构的振型特征在变位较大位置处布设桥面拾振器。为了得到准确的结构振型形状，在边跨5 等分位置和主跨8 等分位置布设DH612 型加速度传感器，测点间距约7 m，加速度传感器的有效频率范围为0.17 ～80 Hz，灵敏度为0.3 V/（m·s-2）。采用DH5920 动态数据采集仪采集桥梁在环境荷载作用下的竖向振动加速度信号，采样频率为200 Hz，每个测点采样时间为30 min。

测试该桥在环境荷载作用下的竖向加速度时程曲线，通过自功率谱分析得到结构竖向模态频率谱，见图4。对试验模态进行分析，识别出该桥前3阶自振频率和阻尼比，见表5。可知，该桥各阶自振频率的实测值大于理论值，表明实际桥梁结构整体刚度较大，有较强的抗冲击性能。实测竖向1 阶自振频率为2.57 Hz，阻尼比小于5%，属于低频、小阻尼振动。