预应力混凝土连续刚构箱梁荷载试验分析

预应力混凝土连续刚构箱梁荷载试验分析　■王子楸　，　（１．福建省交通科学技术研究所；２．福建省公路水运工程重点实验室，福州　３５０００４）　摘要本文以某预应力混凝土连续刚构箱梁桥为工程背景，对该桥进行静动载试　验和有限元分析，对其主要技术参数进行计算和试验分析，并依据相关规范对该桥的存　在能力和动力试验结果进行评定，检验其成桥后的结构实际状态和工作性能，为大桥工　程验收提供科学的依据，为同类桥梁提供参考。　关键词预应力　连续刚构　箱梁荷载试验有限元分析　１　桥梁概况　某新建高速公路上的一座大桥，桥梁主跨采用预应　力混凝土连续箱梁，跨径为（４０＋６０＋４０）ｍ，上部结构　采用单箱单室变截面连续箱梁，梁宽１２．７５ｍ（１１．７５ｍ＋　２ｘ０．５ｍ的防撞栏杆），箱梁顶板宽度为１２．７５ｍ，底宽为　６．７５ｍ，箱梁底板保持水平，通过两腹板的高差，实现　图３大桥的有限元模型图　顶板单向横坡，箱梁梁体两翼板悬臂长度为３．００ｍ。箱　３试验工况　梁混凝土Ｃ５０，桥面铺装Ｃ４０防水，箱梁墩柱、肋台　根据设计荷载和试验荷载计算结果，考虑桥梁实际　Ｃ３５，桥墩承台Ｃ３０，桩基Ｃ３０。设计荷载：公路一Ｉ　使用荷载特点，选择其中最不利荷载工况进行静载试　级。主桥的布置及中跨跨中截面如图１和图２所示。　验，具体工况如表１所示。为确定各种工况相应的最不　利等效荷载，首先计算各控制截面的影响线，再按设计　要求的可变荷载，按文献１规定求出各控制截面相应的　最大内力，最后根据影响线分布采用等效加载方式确定　实际加载车辆的平面位置。试验车辆统一采用３５ｔ重车，　标准轴重及轴距符合规范要求。车辆数及加载效率见表　图４试验测试截面示意图（单位：ｏｍ）　３．１静载试验工况　２有限元模型　静载试验工况如表１所示。　按照大桥的结构特点．运用ＭＩＤＡＳ软件建立有限元　３．２动载试验工况　模型（见图３）。根据设计荷载等级进行荷载计算，根据结　（１）脉动试验　构受力特性，对桥跨结构的受力控制截面进行静载试验，　桥梁自振特性采用脉动法测量。此法不需要使用笨　测定试验荷载作用下控制断面的应变和挠度变化情况。　重的激振设备，只需要使用高灵敏度的传感器放大器、　『Ｉ　４３　Ｊ福建交通科技２０１　１年第６期　－＿Ｊ　表１　试验工况和加载效率　表２各控制截面实测挠度值表（单位：ｍｍ）　工况　控制断面　加载方式加载车数加载效率　信号采集设备和一套相应的谱分析软件，就可以测得结　构自振特性。该法充分利用了环境振动的特点和结构在　环境振动激励下的振动特征。是一种简易而可靠的方　法。对结构来说，每个结构都有自己的固有频率，对于　外界如环境振动的激励，由于相位的原因，和结构的固　有频率相同或接近的激励能量容易被结构吸收，使结构　在该频率下的振动能量增大；而和机构固有频率相差较　大的那些激励能量则很难被结构吸收，甚至会抵消结构　振动的部分能量，在这些频率下结构的振动能量就比较　小，用高灵敏度的传感器记录下结构在环境振动激励下　的振动信号进行分析，即可得到结构的自振特性。　（２）无障碍行车试验　校验系数为０．５９～０．６１，第９跨跨中截面梁底挠度校验系　采用ＢｌＱＮ一４Ｄ光电桥梁挠度检测仪测定动挠度和　数为０．６１－４）．６６，均小于《大跨径混凝土桥梁的试验方　冲击系数。在桥面无障碍的情况下，用１辆载重汽车　法》　（１９８２年１Ｏ月）规定的常值范围（０．７￣１．０５），相对　（单车总重约３５ｔ）以１０ｋｍ／ｈ、２０ｋｍ／ｈ和３０ｋｍ／ｈ不同的　残余挠度小于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（１９８２　车速在桥上往返行驶，测定行车状态下桥跨结构控制断　年１０月）规定的２０％。　面冲击系数和动挠度。　４．１．２应变测试结果分析　３．３加载过程控制　在试验加载工况作用下．第８跨最大正弯矩截面、　在试验过程中，为了保证桥梁的安全和试验的顺利　８≠≠墩支点负弯矩截面及第９跨跨中截面的应变实测值与　进行，按照以下要求进行加载控制：　理论计算值比较如表４所示。　（１）加载严格按照程序进行，荷载逐渐由小到大增　表４各控制截面应变分析表　加：　力口载过程中监控峨裂缝的变化及结构的变　工况　截面实　平均鲫　值（２）　ｗｅ）实　论　形情况；　（３）发生下列情况时停止加载：①最大控制应变值　超过极限应变值；②实测挠度值超过本程序计算值过　多；③混凝土裂缝宽度超过０．２５ｍｍ；④量测数据不断　增大且不能稳定时。　４试验结果分析　４．１静载试验结果分析　４．１．１挠度与位移　通过在边跨和中跨各截面的桥梁两侧布置的水准仪　挠度观测点，测得工况１～工况６试验荷载作用下，第８跨　最大正弯矩截面和第９跨跨中截面挠度，结果如表２所　从表４可以看出，第８跨最大正弯矩截面应变校验系　示。各截面挠度实测值与理论计算值比较如表３所示。　数为０．７９Ｎ０．８６，第９跨跨中截面应变校验系数为０．８６￣　从表２至表３可以看出，第８跨最大正弯矩截面挠度　０．８９，８＃墩支点负弯矩截面梁底应变校验系数为０．９０，　福建交通科技２０１１年第６期圈　均处于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》　（１９８２年１０　约３５ｔ）以１０ｋｍ／ｈ、２０ｋｍ／ｈ和３０ｋｍ／ｈ不同的速度于桥面　月）规定的常值范围（０．７～１．０５）；相对残余应变小于　左侧行驶，测定行车状态下桥跨结构控制断面冲击系数　《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（１９８２年１０月）规定　和动挠度。在不同车速情况下，测得第１０跨跨中截面的　的２０％。　冲击系数和动挠度见表６，实测数据见图９。　４．１．３沉降观测结果　表６桥跨结构第１Ｏ跨跨中截面冲击系数和动挠度　在最大支座反力工况（工况８）作用下，８＃墩与基　础未见沉降发生。　４．２动载试验结果　４．２．１　脉动试验结果　实测的信号经ＦＦＴ分析、模态分析，得到该大桥第　三联的竖向１阶和２阶自振频率及振型，如图５至图８所　ｔ０￥　示。实测和计算的自振特性参数如表５所示。　自振特性试验表明，该桥第三联实测竖向１阶和２阶　自振频率为２．３６０Ｈｚ和３．９００Ｈｚ，略大于理论计算值　０　＾一　２．Ｏ５６Ｈｚ和３．７２８Ｈｚ，实测振型与理论计算振型一致。　１０Ｓ　Ｉ　　ＩＩ　Ｉ　１　０９ｊ　船Ｊ　３７９　嗣ｌ　（ａ）１０ｋｍ／ｈ跑车　图５实测竖向第１阶自振频率及振型图　－１８．３　（自振频率ｆｌ＝２。３６０Ｈｚ）　】　０　９１　１１１．３　Ｉ　Ｉ　罅ｌ　珏　田７　图６计算模型竖向第１阶自振频率及振型图　（ｂ）２０ｋｍ／ｈ跑车　（自振频率ｆｌ＝２．０５６Ｈｚ）　ＩＩ　Ｊ　０．０　、／、，、，～、　图７实测竖向第２阶自振频率及振型图　，’　（自振频率ｆ２＝３．９００Ｈｚ）　Ｉ】ｊ　ｌ　ｌ　Ｉ　Ｉ　站Ｄ　Ｉ　前　暂】　雏：　（Ｃ）３０ｋｍ／ｈ跑车　图９不同车速情况下跑车试验挠度时程图　由表６可知，在单车（重约３５ｔ）不同行车速度　（自振频率ｆ２＝３．７２８Ｈｚ）　１０ｋｍ／ｈ、２０ｋｍ／ｈ和３０ｋｍ／ｈ作用下，实测的跑车冲击系　表５桥跨第三联自振频率ＩＨｚ）　数分别为１．Ｏ８、１．０３和１．０３，动挠度分别为１．７８ｎｍａ、　１．８５ｍｍ和１．９７ｒａｍ；按《公路桥涵设计通用规范》　阶数　振型　频率实测值（Ｈｚ）频率计算值（ｋＩｚ）　（ＪＴＧ　Ｄ６０－２００４）中冲击系数　的计算公式计算：当　１．５Ｈｚ≤ｆ≤１４Ｈｚ，贝０１＋　＝１＋（０．１７１６１ｎｆ－０．０１５７）＝１．１３　（这里ｆ取桥面竖向一阶实测频率），可知实测冲击系数　４．２．２无障碍行车试验结果　均小于规范值，跑车对桥梁冲击效应较小。　在桥面无障碍情况下，用一辆载重汽车（单车总重　（下转第５０页）　圈福建交通科技２０１１年第６期　１　＿　置　一　■　哪　■＿Ｉ　■■■●删　Ｉ　－　■＝＿＿Ｈ■　＼　圈　图３护坡桩施工设计图　筋用量。虽计算稍复杂，但对于大型工程，无疑是一种　值得提倡的配筋计算方法。　参考文献　【２］朱彦鹏．混凝土结构设计原理［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，　２００２．　【３】刘金砺．桩基工程与施工技术［Ｍ】．北京：中国建材工业出版　社，１９９４　［１］何思维．土力学【Ｍ】．广州：中山大学出版社，２００３．　（上接第４５页）５　结论　通过对该预应力连续刚构桥梁的静动载试验结果和　各项控制指标进行分析，结论如下：　作用下。８＃墩与基础未见沉降发生。　（４）脉动试验表明，该桥第三联实测竖向１阶和２阶　自振频率为２．３６０Ｈｚ和３．９００Ｈｚ，略大于理论计算值　２．０５６Ｈｚ和３．７２８Ｈｚ。实测振型与理论计算振型一致；无　（１）荷载试验中，桥面挠度和校验系数均小于《大　跨径混凝土桥梁的试验方法》　（１９８２年１０月）规定的常　值范围（０．７～１．０５），相对残余挠度小于《大跨径混凝土　桥梁的试验方法》（１９８２年１０月）规定的２０％。　障碍行车试验表明，实测冲击系数小于规范值，跑车对　桥梁冲击效应较小。　参考文献　（２）在各工况试验荷载作用下，主桥各主要控制断　面的应变和校验系数均处于《大跨径混凝土桥梁的试验　方法》（１９８２年１０月）规定的常值范围（Ｏ．７￣１．０５）；相　对残余应变小于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》　（１９８２年１Ｏ月）规定的２０％。　［１］交通部公路科学研究所，交通部公路技术处，交通部规划设计　院．大跨径混凝土桥梁的试验方法【Ｍ】．北京：人脉交通出版社，　１９９２，１－２ｏ．　【２】ＪＴＧ　Ｄ６０—２００４，公路桥涵设计规范［ｓ】．　（３）沉降观测表明，在最大支座反力工况（工况８）　［３】ＧＢ５０１５２—９２，混凝土结构试验方法标准【Ｓ］　福建交通科技２０１　１年第６期园