预应力混凝土连续刚构桥梁试验检测技术研究

白英勇

（贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550014）

0 引言

桥梁试验检测对确定桥梁结构所处受力状态，以及荷载作用下的表现，都有十分重要的作用与意义，但试验检测是一项专业度很高的工作，一方面要制定合理可行的试验检测方案，另一方面要对各项试验检测结果进行深入分析，这样才能为桥梁结构性能的综合分析与评价提供可靠的参考依据。

1 项目概况

某桥梁总长约399.8m，其平面处在一个半径为600m、缓长为80m 的曲线段，纵坡为2.9%。该桥梁包含左右两幅，桥面宽度相同，均为11.75m，行车道净宽为10.75m，在两侧分别设置墙式护栏，为钢筋混凝土结构，底部宽度为0.5m。该桥梁跨径组合为64m+115m+64m+30m+30m+30m+30m+30m，主桥采用连续刚构，跨径布置为64m+115m+64m，引桥采用连续槽形梁，跨径布置为30m+30m+30m+30m+30m。该桥梁主桥上部结构采用预应力混凝土变截面箱梁，截面形式为单箱单室，两端与中跨跨中处的梁高相同，均为2.5m，墩顶根部梁高为6m，其他截面的高度变化呈二次抛物线形式。该桥梁主桥下部结构为薄壁墩与钻孔灌注桩。现结合该预应力混凝土连续刚构桥的实际情况，对其试验检测技术作如下分析。

2 分析方法确定

在静力计算过程中主要采用下列两种方法进行分析：第一，借助一维杆系模型通过计算找到目标桥跨上的最不利截面，将其视作检测控制截面，并为等效试验荷载找到适宜的分布方式，最后计算主梁试验截面对应的最大设计控制内力及等效试验荷载内力[1]。第二，根据桥跨整体空间构造，借助三维实体单元对等效试验荷载持续作用下各检测点应力和发生的结构变形进行分析。在动力计算过程中，通过对实体构建专门的有限元模型，确定自由振动特性。

3 试验检测方案

3.1 试验检测内容

3.1.1 静力反应测试

基于试验荷载的持续作用，确定目标桥跨上的控制孔跨于最不利截面部位的具体反应，包括桥跨典型部位挠度、梁体是否开裂，并明确裂缝扩展趋势和分布规律、桥跨典型截面位置对应的应力分布情况、桥梁整体结构弹性及其恢复特性，即缺陷部位受荷载作用后的变形表现特性[2]。

3.1.2 动力反应测试

第一，单车匀速直线从目标桥跨上通过，按照30km/h 和50km/h 两种速度从桥跨上匀速通过，对主梁结构应力和位移之间的时程曲线进行统计与记录。第二，使匀速行驶的车辆在预先指定的位置，从高度为10cm 的跳车板上越过，对主梁结构应力和位移之间的时程曲线进行统计与记录。第三，使保持在匀速行驶状态的车辆在预先指定的位置制动，对主梁结构应力和位移之间的时程曲线进行统计与记录[3]。

3.2 截面与测点布置

借助有限元程序，计算试验检测开始前，桥梁结构在活载持续作用下产生的内力和变形情况，找出最大内力所在的截面及最大变形位置。根据以上试验检测内容及试验检测的基本任务要求，综合考虑结构构造的主要特点及各项理论计算成果后，进行测点布置，具体测点布置形式如图1 所示。在图1中，Y 表示静应力测点，DY 表示动应力测点，W 表示静位移测点，DW 表示动位移测点，YH 表示应变花，ZD 表示振动特性测点。

图1 各截面的测点布置形式

3.3 试验荷载确定

3.3.1 静载试验

试验时采用的车辆，其理论总重量确定为400kN，遵循设计与试验两种荷载对控制截面施加的作用会产生等效内力及变形反应的基本原则，确定具体加载工况。通过对不同加载工况下的荷载效应系数进行计算得到相应结果，结果在1～1.04 范围内，符合相关试验规程的要求[4]。

3.3.2 动载试验

动载试验的试验荷载实际上就是试验所用车辆的重量。根据现有相关文献资料，在动载试验过程中，将效率系数确定为1 为宜。然而，由于在单车试验条件下很难使效率系数达到1，而在多车试验条件下相邻两台试验车辆之间的距离很难控制，所以为了使行车速度达到要求，在动载试验过程中使用的试验车辆的重量不可过大。同时，为确保试验过程中能使目标桥梁结构出现一定程度的激振反应，在动载试验过程中使用的试验车辆的重量也不可太小。综合考虑目标桥梁结构各方面的特点，最终将动载试验所用试验车辆的重量确定为400kN。

3.4 静载试验工况

根据相关计算结果可知，不同截面主梁产生的最大反应与荷载布置方式相对应，按照试验荷载等效原则，同时为提高现场试验检测效率，最终决定针对不同加载工况，分别实施静载试验。

4 试验检测结果及分析

4.1 静载试验

4.1.1 结构挠度

基于试验荷载的持续作用，目标桥梁不同工况下的实测最大挠度及其理论值与相应的校验系数如表1所示，根据表1 数据结果可知：

表1 目标桥梁不同工况下的实测最大挠度及其理论值与相应的校验系数（单位：mm）

第一，每个测点产生的位移都和结构在荷载作用下产生的变形保持的定性趋势保持一致，即所有测点产生的位移都在预期之内，无异常位移[5]。第二，AA 截面在工况5 下产生的变形属于最不利，其最大挠度值为21.44mm；B-B 截面在工况2 下产生的变形属于最不利，其最大挠度值为7.06mm，但实测挠度值和桥跨比值都处在相关技术规范提出的允许限度之内，即不超过1/600L。第三，在不同工况下，位移校验系数在0.73～0.95 的范围内变化，其平均值经计算等于0.82。根据现有相关文献资料，该目标桥梁的挠度检验系数通常需保持在0.7～1 范围内，这说明该桥梁受检桥跨的实测挠度结果符合相应的变形规律[6]。

通过对实测结果和理论分析值之间的对比可知，该目标桥梁受检桥跨在试验荷载作用下产生的变形性能基本正常，主梁上不同截面位置产生的变形均比相应的理论计算值小，说明主梁结构刚度与相关规范及设计提出的要求相符，整体结构具有良好的受力性能。

4.1.2 结构应力/应变

目标桥梁不同检测截面在不同工况下的应力/应变实测结果如表2 所示。根据表2 结果可知，实测应力/应变主要存在以下特征：第一，各测点对应的实测结果都能反映出当前加载工况下受检桥跨结构受力具有的分布趋势，不同测点对应的应力量值可综合反映出此检测截面在荷载作用下的弯矩情况。第二，基于对称荷载的持续作用，各对称测点的实测应变从总体上看有良好的对称性。第三，目标桥梁受检桥跨结构的实测应力/应变结果遵循的分布趋势和理论计算结果基本一致，即一致性良好[7]。

表2 目标桥梁不同检测截面在不同工况下的应力/应变实测结果（单位：MPa）

根据现有相关文献资料可知，该目标桥梁正常情况下的应力检验系数通常需保持在0.6～0.9 范围内。从以上试验数据可以看出，目标桥梁受检桥跨结构应力校验系数在上述范围内，经计算，相应的平均值等于0.77，比推荐范围的上限值小。可见，目标桥梁受检桥跨结构的实际强度满足设计要求，受荷载作用后表现出的应力无异常，完全适应设计荷载提出的承载力等性能要求。

4.1.3 弹性恢复特性

卸除试验荷载后，继续对测点产生的位移与应力数据进行动态采集，根据卸载完成后的实测位移和应力可知，主梁因试验荷载作用产生的位移可以很快恢复，相比之下应力恢复速度较慢。相较于一般受弯构件对应的实测结果，目标桥梁受检桥跨结构弹性恢复速度处于正常范畴，基于正常条件下的设计荷载作用，受检桥跨结构的弹性反应性能可以达到要求[8]。

4.2 动载试验

为确定目标桥梁受检桥跨结构的动力特性能否达到相关设计要求，根据实际的结构尺寸进行空间三维建模，以此对受检桥跨结构振型及基本振动频率进行计算，具体结果如表3 所示。

表3 部分工况下截面应力

目标桥梁通过动载试验主要解决以下两方面问题：第一，对目标桥梁进行动力特性测试，在测试过程中对激励信号影响下受检结构不同测点产生的脉动波形与余振波形进行记录，以此确定受检结构的基本动力特性，包括振型、频率与阻尼。第二，为受检结构施加与实际使用状态基本相同的动载荷，即模拟实际使用状态，然后在记录的同时深入分析受检结构产生的动应力与动变形，并确定相应的动力系数，最终得出桥梁结构受动荷载持续作用后表现出的振动特性，即强迫振动特性。

在受检桥跨结构跨中处安装传感器，对受检桥跨结构在试验行车条件下表现出的振动反应进行测试。通过深入分析目标桥梁受检桥跨结构强迫振动余振时程曲线和各测点的动应变、动位移与强迫振动对应的时程曲线，可得出以下结果：第一，受检桥跨结构振动基频的实测结果为0.49Hz，比相应的理论计算结果略大；第二，受检桥跨结构阻尼系数的实测结果为0.079，比普通钢筋混凝土桥梁对应的阻尼值略大；第三，受检桥跨结构荷载冲击系数实测结果为边跨1、中跨1.091，均比相关技术规范规定的取值略大[9]。

根据以上试验结果可以看出，受检桥跨结构自身动力刚度比相应的理论设计值略大，但受检桥跨结构的冲击系数和阻尼系数也都相对较大，因此总体来看，目标桥梁受检桥跨结构的动力性能合格。

5 结论

经以上桥梁试验检测实例分析，可得出下列结论：第一，该目标桥梁受检桥跨结构的静载试验应力实测结果与挠度实测结果都和相关理论成果基本相符，不存在太大的相对差异。总体来看，实测值比相应的理论值小，说明目标桥梁受检桥跨结构的实际刚度比相应的理论值略大。第二，该目标桥梁受检桥跨结构的工作状况良好，在受到设计确定的最不利活载持续作用后，受检结构依然处在良好的弹性状态。第三，该目标桥梁受检桥跨结构的实测自振特性和相应的理论计算结果良好吻合，频率的实测结果比理论计算结果略高，说明受检桥跨结构的动力性能良好。第四，受检桥跨结构受动载作用后表现出的冲击系数相对较大，这可能对桥梁的正常使用造成一定程度的不利影响。