预应力混凝土连续刚构悬浇箱梁桥安全性评价

张燕清

(三明市交通建设投资有限公司， 福建三明 365000)



预应力混凝土连续刚构悬浇箱梁桥安全性评价

张燕清

(三明市交通建设投资有限公司， 福建三明 365000)

【摘要】文章以高速公路上一座预应力混凝土连续刚构箱梁桥为工程背景，采用有限元软件建立理论模型，进行荷载试验，将实测值与理论计算值进行比较分析，并结合相关规范对该桥进行承载能力检算，评价该桥工作性能是否符合要求，对其他同类桥梁的工作性能评价具有参考意义。

【关键词】预应力混凝土；连续刚构；荷载试验；承载能力检算；工作性能

预应力混凝土连续刚构桥跨越能力大，整体性能强，抗弯抗扭刚度大，且外观简洁优美，施工难度小，行车舒顺，养护简便，造价较低，噪音小，被越来越广泛地应用于长大跨径、高墩桥梁上。其结构构造特点是中间桥墩采用墩梁固结，下部结构一般采用柔性桥墩，以减少因主梁的预应力张拉、温度变化、混凝土收缩、徐变等作用引起的变形受到桥墩约束后产生的次内力。

1工程概况

某高速公路上的一座预应力混凝土连续刚构悬浇箱梁桥，平面上位于半径为1 100 m圆曲线内，全桥共6联，桥型布置为(3×30+4×30) m连续刚构T梁+(50+90+50) m变截面连续刚构悬浇箱梁+(3×30+4×30+3×30) m连续刚构T梁，全长707 m，桥面宽度为(0.5 m防撞栏+净11.75 m+0.5 m防撞栏)。

本文的研究对象为该桥主桥(50+90+50) m变截面连续刚构悬浇箱梁(图1)，主要施工工艺为挂篮悬浇。控制断面梁高：中支点处5.5 m，边跨直线段及主跨跨中处1.8 m，其高跨比分别为1∶15.79和1∶46.88；梁高变化段梁底曲线采用1.6次抛物线。箱梁横断面为单箱单室直腹板，箱梁顶板宽度为12.75 m，底宽为6.75 m，箱梁梁体两翼缘板悬臂长度为3.0 m。箱梁底板水平，通过两腹板的高差，实现顶板单向横坡。通过平曲线内外侧箱梁长度差，实现平曲线。

图1　某预应力混凝土连续刚构箱梁桥总体布置(单位：m)

主墩为6.75 m×4.6 m钢筋混凝土空心薄壁墩，基础为4根直径2.5 m双排钢筋混凝土群桩；交界墩为6.5 m×2.8 m钢筋混凝土空心薄壁墩，基础为4根直径2.0 m双排钢筋混凝土土群桩。主墩高度分别为79 m、66 m，属于薄壁空心高墩，施工设备需采用塔吊。因山区风力强大，高空作业施工安全风险高。

箱梁采用C55混凝土，桥面铺装C40防水混凝土，箱梁桥墩墩身C50，桥墩承台C40，桥墩桩基C30。设计荷载等级为公路-Ⅰ级。为了解桥跨结构在交通荷载作用下的实际受力状态，评价结构在荷载作用下的工作性能，检验其是否满足设计荷载等级要求，对该桥进行了荷载试验和承载能力检算分析。

2静载试验

2.1静载试验工况及检验对象

根据该桥施工设计图纸，应用有限元计算软件进行建模计算分析，模型见图2，理论弯矩包络图见图3，理论剪力包络图见图4。以设计标准活载产生的该试验项目的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载。然后根据桥跨结构受力特点，确定各跨试验工况，具体见表1。各跨主要测试截面见图5。由表2可知，该桥的试验荷载效率η满足文献[3]基本荷载试验规定的要求0.80≤η≤1.00。

图2　某预应力混凝土连续刚构箱梁桥模型

图3　理论弯矩包络图

2.2测点布置

应变测点布置：在各控制截面的箱梁底部以及Ⅳ-Ⅳ截面的腹板侧面粘贴混凝土应变片进行测量，各控制截面应变测点布置见图6。

图4　理论剪力包络图

图5　试验测试截面示意(m)

工况加载方式测试截面测试内容123左侧偏载中载右侧偏载第8跨最大正弯矩截面(Ⅰ-Ⅰ截面)挠度和应力(应变)456左侧偏载中载右侧偏载第9跨跨中截面(Ⅱ-Ⅱ截面)挠度和应力(应变)789左侧偏载中载右侧偏载第9跨1/4截面(Ⅲ-Ⅲ截面)挠度和应力(应变)10中载8#墩支点负弯矩截面(Ⅳ-Ⅳ截面)应力(应变)和中性轴

表2　静力试验荷载效率

挠度测点布置：在各控制截面的桥面左右两侧护栏位置布设塔尺，采用精密水准仪进行测量。

2.3试验数据及与理论值的比较分析

在试验加载工况作用下，各控制截面的实测挠度及其与理论计算值的比较如表3所示，实测应变及其与理论计算值的比较如表4所示。可以看出，该桥第8跨最大正弯矩截面挠度校验系数为0.77～0.81，应变校验系数为0.76～0.80；第9跨跨中截面挠度校验系数为0.73～0.77，应变校验系数

(a)Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ截面

(b)Ⅳ-Ⅳ截面图6　各控制截面应变测点布置(cm)

mm

表4　各控制截面应变分析表　μ

为0.77～0.84；第9跨1/4截面挠度校验系数为0.79～0.82，应变校验系数为0.80～0.88；各截面挠度校验系数和应变校验系数均处于文献[3]规定的常值范围(0.7～1.05)；各截面相对残余挠度和应变均小于文献[3]规定的20%。

2.4支点截面中性轴分析

在试验加载工况10作用下，Ⅳ-Ⅳ截面测点的实测应变变化情况及其与理论计算值的比较如图7所示。

图7　Ⅳ-Ⅳ截面应变测点沿梁高变化情况

分析各测点的实测应变数据可以得出，实测的箱梁截面中性轴位置距梁底高度为3.86 m，与理论计算得到的截面中性轴位置(3.82 m)基本相同。从图7可以看出，实测应变沿梁高基本呈线性变化，表明箱梁处于弹性受力状态。

3自振特性试验

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应，测试桥跨结构自振频率和阻尼比以分析桥跨结构自振特性。

3.1自振特性结果及分析

在各跨8分点位置桥面上放置脉动测点传感器，实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该连续刚构箱梁桥的竖向1阶和2阶自振频率及振型。该桥实测竖向1阶和2阶自振频率分别为1.72 Hz和2.91 Hz，大于理论计算值1.56 Hz和2.69 Hz，实测振型与理论计算振型基本吻合。自振特性试验表明该桥的实测整体刚度比理论计算值大，处于较理想的状态。实测与理论计算的竖向1阶和2阶自振频率及振型对比图见图8。

4箱梁承载能力检算分析

对该桥上部结构进行承载能力检算，结合上述荷载试验结果对桥跨结构的工作性能进行评定。根据结构特点，选取Ⅱ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ截面作为检算截面。检算内容包括桥跨结构在承载能力极限状态下相应的作用效应组合及各组合情况下的正截面抗弯和斜截面抗剪承载力。

4.1检算资料

桥面宽度：净11.75 m行车道+2×0.50 m护栏；

车道数：3车道，车道折减系数取0.78；

混凝土强度等级为C55，弹性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.2，抗压强度设计值fcd=24.4 MPa；

二期恒载：桥面铺装为8 cm厚C40防水混凝土+防水层+7 cm厚沥青混凝土层，密度重按24.5 kN/m3计；

设计荷载：公路Ⅰ级；汽车制动力及冲击力：按桥规取用；

(a)实测竖向1阶(f1=1.72 Hz)

(b)计算竖向1阶(f1=1.56 Hz)

(d)计算竖向1阶(f1=2.69 Hz)图8　实测与计算竖向1阶和2阶自振频率及振型图对比

(c)实测竖向1阶(f2=2.91 Hz)

温升：+25℃；温降：-10℃；

混凝土收缩徐变：按现行设计规范计算。

4.2检算荷载组合及荷载效应分析

承载能力极限状态下的荷载效应采用基本组合，其表达式为：

各参数详见文献[1]。其中温度效应分为温升效应和温降效应，以使组合效应达到最大值为准。

4.3检算公式

由文献[4]可知，配筋混凝土桥梁承载能力极限状态下的检算公式为：

各参数详见文献[4]。其中γ0=1.0， ξe=0， ξc=ξs=1.0；由静载试验结果可知，箱梁各控制截面的挠度和应变校验系数最大值为0.88，根据规定，当进行荷载试验时，取荷载试验后的检算系数Z2代替上式Z1进行检算，因此根据文献[4]查表得承载能力检算系数Z2=1.01。

4.4正截面抗弯承载力检算

桥跨结构承载能力极限状态受弯荷载效应基本组合计算结果如图9所示，Ⅱ-Ⅱ截面抗弯承载能力检算结果见表5。可知，该桥跨结构在承载能力极限状态下满足正截面抗弯要求。

图9　承载能力极限状态受弯荷载效应(基本组合)

kN·m

4.5斜截面抗剪承载力检算

桥跨结构承载能力极限状态受剪荷载效应基本组合计算结果如图10所示，Ⅳ-Ⅳ截面抗剪承载能力检算结果见表6。可知，该桥跨结构在承载能力极限状态下满足斜截面抗剪要求。

图10　承载能力极限状态受剪荷载效应(基本组合)

5结论

(1)该桥各控制截面的挠度校验系数为0.73～0.82，应变校验系数为0.76～0.88；各控制截面挠度校验系数和应变校验系数均处于规定的常值范围(0.7～1.05)；各截面相对残余挠度和应变均小于规定的20%。

表6　Ⅳ-Ⅳ截面抗剪承载能力检算　kN

(2)实测的箱梁支点控制截面中性轴位置与理论计算得到的中性轴位置基本相同。箱梁处于弹性受力状态。

(3)该桥的实测整体刚度比理论计算值大，处于较理想的状态。

(4)桥跨结构符合承载能力极限状态下正截面抗弯和斜截面抗剪承载能力要求。

综上所述，该预应力混凝土连续刚构悬浇箱梁桥的整体工作性能良好，能够满足公路I级设计荷载等级使用要求。

参考文献

[1]JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].

[2]郑为明.大跨径连续刚构箱梁桥横向分析[J].福建建筑，2011(7).

[3]YC4-4/1978大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].1982.

[4]JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[5]JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[作者简介]张燕清(1964～)，男，本科，高级工程师，从事道路工程建设与管理工作。

【中图分类号】U448.23+1

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-03-01