大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析

1、大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所， 福州 350004 ）摘要 本文以某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)該橋 進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)和有限元分析， 對(duì)其主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)分析 并依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)該橋的承載能力和動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，檢驗(yàn)其成橋 后的結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和工作性能，為大橋工程驗(yàn)收提供科學(xué)的依據(jù)，為同類 橋梁提供參考。關(guān)鍵詞 橋梁工程 大跨徑 預(yù)應(yīng)力 剛構(gòu)橋 靜動(dòng)載試驗(yàn) 有限元分析1 引言連續(xù)剛構(gòu)橋是預(yù)應(yīng)力混凝土大跨梁式橋的主要橋型之一，連續(xù)剛構(gòu)橋的主 要特點(diǎn)是主梁連續(xù)墩梁固接， 既保持了連續(xù)梁無伸縮縫、 行車平順的優(yōu)點(diǎn)， 又保持了 T

2、 形剛構(gòu)不設(shè)支座和無須體系轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)，方便施工，而且較大 的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度能很好地滿足較大跨徑橋梁的受力要 求。因此，它是一種極有生命力的橋梁結(jié)構(gòu) ,已成為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋 梁的首選橋型。橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行直接測試的一種鑒定手段，是對(duì) 橋梁結(jié)構(gòu)性能的最直接、最可靠的檢測方法。靜載試驗(yàn)可以直接了解橋梁 結(jié)構(gòu)的承載能力情況，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，確定和判斷橋梁的施工質(zhì)量和橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。I兄1呦憑華H5(9725110.得5e瞎昨e勒閒S0 W72橋梁概況某新建高速公路上的一座特大橋梁，橋梁主跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑為(85+155+85

3、)m，上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，梁寬12.25m (11.25m+2 X0.5m的防撞欄桿)，箱底板寬6.0m , 箱梁頂板為2%的單向橫坡，采用掛籃懸臂澆筑施工。箱梁根部梁高為9m，邊跨直線段與主跨跨中處3.5m，梁高變化段采用二次拋物線過渡，箱梁底板厚度從跨中的28.0cm變化至主墩頂?shù)?20cm，腹板從跨中的45cm 變化至主墩頂?shù)?00cm。主跨橋墩為5.0m X6.0m的鋼筋混凝土薄壁空心 墩，最咼的墩柱有100多m，基礎(chǔ)為4f2.8m雙排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁 群樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：汽超-20，掛-120。主橋的布置與中跨跨中截面如 圖1和圖2所示埶 平面布蒼g C單位:

4、eia）砂 中跨務(wù)中搭戡面（單位：皿）3有限元模型采用MIDAS軟件建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型采用梁單元模擬，其中上 下部結(jié)構(gòu)分別采用變截面的箱梁單元和一般梁單元模擬。雖然該橋部分結(jié) 構(gòu)的彎曲半徑為830m，但相關(guān)資料表明其對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能影響較小， 因本文分析采用直線的有限元模型。同時(shí)為了簡化模型，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)采用 等效剛度法計(jì)算出等效樁長，建立有限元模型，如圖3所示.4試驗(yàn)工況根據(jù)設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載計(jì)算結(jié)果，考慮橋梁實(shí)際使用荷載特點(diǎn)，選擇七 種最不利荷載工況進(jìn)行靜載試驗(yàn)，具體工況如表1所示。為確定各種工況相應(yīng)的最不利等效荷載，首先計(jì)算各控制截面的影響線，再按設(shè)計(jì)要求的 可變荷載，按文獻(xiàn)4規(guī)定

5、求出各控制截面相應(yīng)的最大內(nèi)力，最后根據(jù)影響 線分布采用等效加載方式確定實(shí)際加載車輛的平面位置。試驗(yàn)車輛統(tǒng)一采用 350kN 重車，標(biāo)準(zhǔn)軸重與軸距符合規(guī)范要求。 車輛數(shù)與加載效率見表 1表 1 試驗(yàn)工況和加載效率4.1 靜載試驗(yàn)工況靜載試驗(yàn)工況如表 1 所示。4.2 動(dòng)載試驗(yàn)工況（1 ）脈動(dòng)試驗(yàn)。橋梁自振特性采用脈動(dòng)法測量。此法不需要使用笨重的激振設(shè)備，只需要 使用高靈敏度的傳感器放大器、信號(hào)采集設(shè)備和一套相應(yīng)的譜分析軟件， 就可以測得結(jié)構(gòu)自振特性。該法充分利用了環(huán)境振動(dòng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)在環(huán)境 振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)特征 ,是一種簡易而可靠的方法。 對(duì)結(jié)構(gòu)來說， 每個(gè)結(jié)構(gòu) 都有自己的固有頻率，對(duì)于外界如環(huán)

6、境振動(dòng)的激勵(lì)，由于相位的原因，和 結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或接近的激勵(lì)能量容易被結(jié)構(gòu)吸收，使結(jié)構(gòu)在該頻率 下的振動(dòng)能量增大；而和結(jié)構(gòu)的固有頻率相差較大的那些激勵(lì)能量則很難 被結(jié)構(gòu)吸收，甚至?xí)窒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量，在這些頻率下結(jié)構(gòu)的振動(dòng) 能量就比較小，用高靈敏度的傳感器記錄下結(jié)構(gòu)在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng) 信號(hào)進(jìn)行分析，即可得到結(jié)構(gòu)的自振特性。2） 無障礙行車試驗(yàn)采用 BJQN-4D 光電橋梁撓度檢測儀測定動(dòng)撓度和沖擊系數(shù)。在橋面無障 礙的情況下，用一輛載重汽車（單車總重約350kN ）以20km/h、30km/h、40km/h 不同的速度往返在橋上行駛，測定行車狀態(tài)下橋跨結(jié)構(gòu)控制斷面 沖擊系數(shù)和動(dòng)撓度

7、。4.3 加載過程控制在試驗(yàn)過程中 ,為了保證橋梁的安全和試驗(yàn)的順利進(jìn)行,按照規(guī)范進(jìn)行加載控制：（ 1 ）加載嚴(yán)格按照程序進(jìn)行 ,荷載逐漸由小到大增加；（ 2）加載過程中監(jiān)控應(yīng)變、裂縫的變化與結(jié)構(gòu)的變形情況；（3 ）發(fā)生下列情況時(shí)停止加載：最大控制應(yīng)變值超過極限應(yīng)變值；實(shí)測撓度值超過本程序計(jì)算值過多；混凝土裂縫寬度超過0.25mm :量測數(shù)據(jù)不斷增大且不能穩(wěn)定時(shí)。5 試驗(yàn)結(jié)果分析5.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析5.1.1 撓度與位移（ 1 ）撓度曲線。,測得工況 1通過在邊跨和中跨各截面的橋面兩側(cè)布置的水準(zhǔn)儀撓度測點(diǎn) 和工況5試驗(yàn)荷載作用下的橋面撓度曲線,如圖4所示（其中1T、1C和1S分別表示工況1

8、的試驗(yàn)實(shí)測撓值、有限元計(jì)算值和試驗(yàn)的殘余撓度，5T、5 C和5S同理）。從圖4可以看出，橋面撓度曲線符合結(jié)構(gòu)在豎向荷 載作用下的變形規(guī)律，實(shí)測值與計(jì)算值規(guī)律一致；且所有荷載卸零后，撓度曲線基本恢復(fù)為試驗(yàn)前的初始狀態(tài)，表明在荷載試驗(yàn)過程中，橋跨結(jié)構(gòu)始終 處于良好的彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體性良好。E4橋両摂度外布側(cè)圉表z豐萼持制髓的攜屋時(shí)表工撫值（mml值（mm）i迪電最大itS.0510.90.M210.90.73丁7 8110. q0 72519 3527 da&19.052?.d0.519.002Z.40.5（2）主要控制截面撓度。在各工況荷載作用下，結(jié)構(gòu)主要控制截面的撓度分析如表2所示。從表

9、2可以看出，邊跨最大正彎矩截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.720.74，中跨跨中截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.850.86，低于或處于大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法（1982年）規(guī)定的常值范圍（0.71.07 ），且在試驗(yàn)的過程中，相對(duì)殘余撓度小于大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法（1982年）規(guī)定 20%。應(yīng)變分析結(jié)果在各工況荷載作用下，主要控制截面的應(yīng)變分析如表3所示。從表3可以看出，邊跨最大正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.920.97 ,中跨跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為 0.710.75 ,支點(diǎn)最大負(fù)彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.72，均處于大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法（1982年10月）規(guī)定的常值范圍（0.71.05 ）;且在

10、試驗(yàn)過程中，其相對(duì)殘余應(yīng)變小于大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法（1982年）規(guī)定20% o表妊要揑制截飯的應(yīng)吏分析表HS.墮（|J）1迢1需続蠱HlIs530.42Z陰QT33(15B0.115tp6?tp53T10.75&5?710.74T110.TL12535口.裡5.2動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)測的信號(hào)經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋的14階自振頻率與振型，實(shí)測和計(jì)算的自振特性參數(shù)如表4所示，振型如圖5至圖8所示。躱 衛(wèi)mtt值血熾塞計(jì)豐但 曲1戰(zhàn)向一階疋科祚0. 5250.5142果旬一啲”制.觀0.T650.6363損白一酢盛軸你0,8990.CG20豎削一階亡艸林1. 1251.115

11、從表4和圖5圖8可以看出，該橋?qū)崪y橫向1階、縱向1階和豎向1階自振頻率分別為 0.525 Hz、0.763 Hz和1.125 Hz，與理論計(jì)算值0.514 Hz、0.656 Hz和1.115 Hz基本吻合，表明本文所建的有限元模型準(zhǔn)確可行。9EC *） 實(shí)測宿向尊他目扼城率朋振型射5 b）計(jì)直攢向第I階自振頻率及振型團(tuán)實(shí)血飆向第i酚目振如i率及振規(guī)遜計(jì)宣鈿向第L階自振頻率及擁型圈BtC a） 實(shí)側(cè)橫向第漸自擴(kuò)頻率聶旅型團(tuán)HTCt）計(jì)宣橫向第2階自振頻率聶版型團(tuán)BSC ）浜測豎向第1階自振頻率艮振型團(tuán)Bno計(jì)算豎向第1階自振頻率艮毎型圖該橋的第1振型和第3振型為平面外振動(dòng)，第 2振型為縱飄，第4

12、振 型為平面內(nèi)振動(dòng)，平面外頻率為平面內(nèi)頻率的46.7%，表明該橋在平面外的剛度比較低，遠(yuǎn)低于平面內(nèi)剛度。目前我國公路規(guī)范對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié) 構(gòu)的橫向振動(dòng)基本周期尚未有統(tǒng)一的評(píng)定指標(biāo)，參照鐵路橋梁檢定規(guī)范和 文獻(xiàn)9，對(duì)于預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，當(dāng)其設(shè)計(jì)時(shí)速大于或等于80km/h時(shí)，規(guī)定其橫向自振頻率應(yīng)大于55/L0.8，即0.437Hz，該橋的實(shí)測橫向頻率為0.525Hz，稍高于規(guī)定值，表明該橋的橫向動(dòng)力剛度能滿足要求。無障礙行車試驗(yàn)結(jié)果采用單輛加載車沿橋面中線對(duì)稱位置上進(jìn)行無障礙行車試驗(yàn)，行車速度按20km/h、30km/h和40km/h進(jìn)行，測得的中跨跨中截面的沖擊系數(shù)和動(dòng)撓度如表5所示，實(shí)測的曲線

13、如圖9所示（只列出40km/h無障礙行車試驗(yàn)圖）。表呂中胃跨中截而無匱礙行車訶驗(yàn)結(jié)果r a壟刼Wh宅厠測Th玄列MlmVhA. 05nn4. OZmd. 9Snan1斶1 0411431i.ora1.0141.0151.出土龍審硯軒左：-輔匕輪粧ind軒地刑秤蘇2.根揺若簾附設(shè)骨違用覷花卜CJIV D60-20（M沖赤探麺針3（盤帝劉帥沖石薪帥育1.咗圖9中跨從表5可以看出，無障礙的行車速度為 20km/h 、30km/h和40km/ h時(shí)，實(shí)測得的沖擊系數(shù)分別為 1.049、1.041和1.031，換算成標(biāo)準(zhǔn)車列 的沖擊系數(shù)為1.023、1.019和1.015，在計(jì)算值1.05容許的范圍，表

14、明 該橋的沖擊系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。6結(jié)論通過對(duì)預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果和各項(xiàng)控制指標(biāo)進(jìn)行分析：結(jié)論如下：（1） 荷載試驗(yàn)中，橋面撓度曲線的實(shí)測值與計(jì)算值規(guī)律一致，橋跨結(jié)構(gòu) 始終處于良好的彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體性良好；（2）主橋主要控制截面的應(yīng)變和校驗(yàn)系數(shù)符合規(guī)范評(píng)定要求，該橋的 承載能力滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；3）脈動(dòng)試驗(yàn)表明，該橋自振頻率的計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，表明本文所建的有限元模型準(zhǔn)確可行；無障礙行車試驗(yàn)表明，實(shí)測得的沖擊系 數(shù)在計(jì)算值 1.05 容許的范圍，該橋的沖擊系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。（4）該橋?qū)崪y第一階橫向頻率值大于鐵路橋梁檢定規(guī)范的要求值，表 明該橋的橫向動(dòng)力剛度能滿足要求。參考文獻(xiàn)1 鞏春領(lǐng)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)分析D.東北林業(yè)大學(xué)碩士論文，20012 徐日昶.橋梁檢驗(yàn) M. 北京:人民交通出版社 ,1989,15-423 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范 S （JTG D60 2004 ）4 交通部公路科學(xué)研究所 ,交通部公路局技術(shù)處 ,交通部規(guī)劃設(shè)計(jì)院 . 大跨徑混凝土橋梁的