三峡库区大跨预应力混凝土连续刚构桥荷载试验研究

曾 勇，李勇岐

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁与隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心，重庆 400074)

连续刚构桥作为常用的桥梁形式，具有施工方便跨越能力强等特点，适用于各种复杂地形。为保证连续刚构桥在复杂地理环境下的安全使用，其结构稳定性显得尤为重要。贾毅[1]认为在实际使用过程中桥体可能会受使用荷载、环境、结构自身缺陷等因素的影响而造成结构性能的衰退。为保障连续刚构桥在运营阶段中的稳定性，需通过结构现场检测来确定既有结构是否安全可靠[2]。

桥梁荷载试验是桥梁承载力评价中最有效、最直接和最有说服力的方法[3]，根据所施加荷载的不同类型，荷载试验可分为：静力荷载试验、动力反应试验、动力特性试验和抗震试验4类[4]。本文以某三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥为研究对象，进行静力荷载试验和动力荷载试验以研究桥体在实际使用阶段是否到达设计要求，以期为解决同类问题提供参考。

1 工程概况

忠县忠州镇龙潭渡改桥工程位于重庆市忠县忠州镇，跨越甘井河，属于三峡库区。主桥设计桥型为三跨预应力混凝土变截面连续刚构，引桥为30 m预应力混凝土简支T梁，跨径组成为3×30 m+(55+100+55) m+30 m，桥梁设计总长为338.0 m，桥梁左岸起点高程为188.3 m，右岸终点高程为188.6 m。主桥上部结构为(55+100+55) m预应力混凝土连续刚构，下部结构为主墩、交界墩、桩基础，上部箱梁结构采用C55混凝土，主桥桥墩采用C40混凝土，箱梁为变截面单箱单室断面，箱梁顶面宽度9.00 m，箱梁底宽6.00 m；箱梁根部梁高7.00 m，跨中梁高为3.00 m，其间箱梁截面高度按1.8次方抛物线变化。主桥由跨中向两岸设置0.5 %的“人”字型纵坡，横向设2.0 %的双向横坡。桥面布置为1.5 m(人行道)+6.00 m(行车道)+1.5 m(人行道)。全桥按双车道设计，设计荷载公路Ⅱ级，设计车速20 km/h。

2 静载试验

静载试验的加载以及各阶段工况均按照相关规定[5]的要求，采用B1+OM1精密水准仪、YE2539高速静态应变仪、SW-LW-101裂缝宽度观测仪采集数据，本次荷载试验选主桥的南溪村侧边跨和中跨进行静力加载试验。桥梁立面布置图如图1所示。

图1 桥梁立面布置图

2.1 测试截面

本次试验设置了挠度测试截面和应力(应变)测试截面。其中挠度测试截面9个，编号为1-9，每个截面分别在左、右侧防撞栏杆处布置1个测点,如图2和图3所示。应力(应变)测试截面4个编号为A-D，分别为南溪村侧边跨最大活载拉应力截面、4#墩顶中跨侧最大负弯矩截面、中跨L/4附近截面以及中跨跨中截面。应力(应变)测试截面布置如图4所示。

图2 挠度测试截面

图3 测点平面图

2.2 试验工况

按照设计要求，以设计荷载(公路-I级)按2车道进行纵向最不利位置布载，如图5所示，同时根据规范规定计入应变增大系数(结构基频为1.629 Hz，应变增大系数1+μ取1.08)和跨径折减系数(1.0)，计算各截面设计控制弯矩。

图4 应力测试截面

图5 横向轮位布置

共设置4个工况：南溪村侧边跨最大正弯矩A截面正载；南溪村侧主跨最大负弯矩B截面正载；南溪村侧主跨最大正弯矩C截面正载；南溪村侧主跨最大正弯矩D截面正载，按顺序依次编号为1-4。静力试验荷载工况及对应荷载试验效率值如表1所示。

表1 静力试验荷载工况及对应荷载试验效率值

2.3 试验结果分析

A、B两截面测点挠度实测值与计算值的对比如图6和图7所示。将试验桥跨的主要挠度汇总,如表2所示。

图6 A截面测点挠度实测值与计算值 图7 B截面测点挠度实测值与计算值

表2 挠度检测结果

由表2可知，挠度校验系数集中于0.70-0.96，各工况卸载后，控制测点的相对残余最大仅为18.4%，符合相关规范[6]要求。桥跨结构挠曲线走势光滑连续，与理论计算曲线一致性较好，可以看出该桥实际工作符合理论要求。A、B截面正载实测值与计算值的比较如图8和图9所示。

图8 A截面正载实测值与计算值的比较图 图9 B截面正载实测值与计算值的比较

全桥各应力测试截面主要检测结果如表3所示。数据显示各截面实测应力未出现异常，应力校验系数集中于0.60-0.86。各截面应力校验系数均值分别为0.69、0.66、0.66和0.63。试验荷载作用下，测试截面最大实测混凝土拉、压应力增量分别为1.38 MPa和-1.04 MPa。这说明该桥测试截面受力正常能够满足设计要求。试验后对测试截面区域进行观察，并未发现可见裂缝。

表3 测试截面应力检测结果

3 动载试验

相比于静荷载，动荷载试验更接近桥梁在实际使用过程中的工作状态。动荷载试验对桥体施加动荷载，测试桥体对不同动荷载的响应分析动态增量[7]。为进一步评定忠县忠州镇龙潭渡改桥工程主桥的动力性能，需进对该桥的实际动力特性进行检测。设计了脉动激励试验、无障碍跑车试验、刹车试验、跳车试验，以期达到预定目标。

本次试验主要选用中跨的跨中截面(D截面)和中跨L/4截面(C截面)作为测试截面，测点布置如图10和图11所示。

图10 中跨L/4截面动(C截面)载试验测点布置图 图11 中跨跨中截面(D截面)动载试验测点布置图

3.1 自振特性试验研究

在有限元软件中建立桥梁模型，利用程序计算出桥体平面1至平面3阶的竖向弯曲理论振型图一阶竖向振型图如图12所示，二阶竖向振型图如图13所示，三阶竖向振型图如图14所示。

3.2 脉动激励试验

脉动激励试验是在桥面无交通荷载附近无其他振源的情况下，仅测定桥梁由于环境激振(例如风荷载、地脉动等随机激励)引起的微量振动响应。试验采用的测振传感器具有较高的灵敏度，之后利用动态信号采集分析仪采集数据。

本次试验选用中跨跨中截面和中跨L/4截面作为测试截面，测试时间控制在20 min左右。为保证试验数据的准确性特将测试所用供电设备布置在距离测试截面较远处，测试期间避免人员走动。

脉动试验测试结果如图15所示，从图15可知，该桥梁实测基准频率为1.750 Hz；2阶振动频率为2.830 Hz；3阶振动频率为4.079 Hz。将该试验实测频率与理论频率进行对比，结果汇总如表4所示。

图15 脉动试验测试结果图

表4 脉动试验测试结果汇总

从表4可以看出，试验桥梁的实测结构固有频率为1.75 Hz大于理论频率1.629 Hz，且前三阶竖向振动频率均大于理论频率值，比值介于1.02-1.07之间。前三阶竖向弯曲振型实测阻尼比介于1.04 %-1.24 %之间，属于小阻尼振动。

3.3 跳车试验

在中跨的跨中截面(D截面)和中跨L/4截面(C截面)设置带有坡面的三角横木，横木高10-15 cm。利用汽车后轮通过横木后下落产生的冲击激励桥梁振动，车速按照相关规范要求设置在5-20 km/h。跨中跳车频率图如图16、图17所示。

图16 跨中跳车(C截面)频率图 图17 跨中跳车(D截面)频率图

3.4 动力响应试验研究

设置如下试验工况以测试桥体在不同动荷载作用下的动力响应。

无障碍跑车试验，在桥面无障碍情况下，采用一辆重型汽车分别以5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的速度匀速通过桥面，通过测定控制截面的振动加速度、动应变，研究桥梁的动力响应。

刹车试验，采用一台重型汽车以25 km/h的速度匀速通过桥面，在中跨的跨中截面(D截面)和中跨L/4截面(C截面)紧急制动，测试控制截面的振动加速度、动应变，研究桥梁在车辆紧急制动下的动力响应。跳车试验，在中跨的跨中截面(D截面)和中跨L/4截面(C截面)设置15 cm高的三角形横木，采用一台重型汽车以10 km/h的速度匀速通过障碍物，通过障碍物后立刻紧急制动刹车，测试控制截面的振动加速度、动应变，研究桥梁在车辆跳车时的动力响应。在动荷载作用下桥梁上部结构会产生动应变或动挠度，相较于相同静荷载产生的静挠度，动挠度一般要更大。将动挠度与其相应的静挠度的比值称为应变增大系数，用于桥梁在动荷载作用下的动力响应。

经过测试，得出试验桥梁在动荷载作用下各测点的动应变如表5所示。表5中前6个工况为单车行车，C截面单车刹车、D截面单车刹车的车速为25 km/h。

表5 动力响应试验各测点动应变

续表5 动力响应试验各测点动应变

3.5 试验结果

通过对动应变时间历程曲线的分析处理，得到测试截面的应变(动力)增大系数。

(1)

式中：εdmax为最大动应变；εjmax为最大静应变；εp为动应变信号半峰值。

k值反映了车辆动荷载对结构的动力增大效应，检测结果如表6所示。从表6可以看出，实测桥梁应变增大系数在0.98-1.08之间，依据JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》应变增大系数不应大于1.08，可知该桥梁尚能满足设计要求，桥梁测试截面行车动力响应正常。

表6 D截面应变增大系数

4 结 语

(1)试验桥在经过荷载效率大于0.86的静载试验过程无异常状况。

(2)该桥在各截面实测应力和挠度小于理论值应力校验系数集中在0.60-0.86之间，四个截面的应力校验系数均值分别为0.69、0.66、0.66和0.63，挠度校验系数集中在0.70-0.94之间。中跨实测最大挠度仅增加15.08 mm，边跨实测最大挠度仅增加3.63 mm。

(3)试验荷载作用下，测试截面最大实测混凝拉、压应力增量分别为1.38 MPa和-1.04 MPa。该桥卸载过后虽出现残余变形但最大仅为18.4 %，并未超过规范要求的20 %，说明该桥在试验中处于正常的弹性工作状态。

(4)试验中，箱梁内各测试截面附近区域未发现可见横向裂缝。

(5)动力试验中实测结构固有频率为1.75 Hz大于理论频率1.629 Hz，且前三阶竖向振动频率均大于理论频率值，比值介于1.02-1.07之间。前三阶竖向弯曲振型实测阻尼比介于1.04 %-1.24 %之间，属于小阻尼振动。这个结果说明测试桥梁的实际测量刚度相比于设计刚度要大，桥梁能够达到设计要求的受力性能。

(6)该桥在动力响应试验中应变增大系数虽小于规范要求，但其最大值1.08已接近规范要求的临界值。

(7)总体来看，该桥在试验设计的静荷载和动荷载作用下均处于正常工作状态，能够满足规范及设计要求。

(8)试验桥应变增大系数与车速相关但不同截面应变增大系数随车速的变化规律不同，且相比于车速应变增大系数对于行车状态变化的响应更加敏感。