宽幅波形钢腹板PC组合箱梁桥动静载试验研究

芦 欣

(新疆交投建设管理有限责任公司 乌鲁木齐市 830000)

PC连续梁桥广泛应用于工程建设中，但外界环境的变化以及车辆超载、施工、设计缺陷等原因，导致服役的PC连续梁桥部分出现主梁下挠、腹板和底板出现开裂等现象，严重影响了桥梁的正常使用[1]。为了解决主梁开裂和主梁下挠的问题，一种新型桥梁应运而生，波形钢腹板PC组合箱梁桥充分发挥了钢材与混凝土的各自优势，使得桥梁自重大大减小，同时解决了传统PC箱梁桥腹板开裂的问题。

目前国内开始部分使用单箱单室波形钢腹板PC组合箱梁，但宽幅波形钢腹板组合箱梁现在在国内较少[2-4]。宽幅波形钢腹板PC组合箱梁与传统的预应力混凝土连续梁相比在受力性能和施工工艺上有一定的差异，现如今对传统的预应力混凝土连续梁桥荷载试验的分析有很多，但对宽幅单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁桥的荷载试验研究较少。因此以一座(38+68+38)m的波纹钢腹板单箱双室连续箱梁桥为背景，进行静动载试验，采集分析实测数据，并与迈达斯模型计算的结果进行对比分析，以研究该类型桥的受力性能。

1 工程概况

主梁采用变截面波纹钢腹板单箱双室连续箱梁，跨径组合为(38+68+38)m，桥面布置为：0.50m(防撞护栏)+9.75m(行车道)+9.75m(行车道)+0.50m(防撞护栏)=20.50m。中支点和跨中梁高分别为4.2m和1.7m，底板厚度分别为0.50m和0.30m；混凝土采用C50，波纹钢腹板采用Q345D，波形钢腹板厚度采用14mm、22mm、20mm、18mm 和16mm 五种型号。波形钢腹板采用双开孔钢板连接键(T-PBL)与顶板连接。

该桥之前出现主桥梁板裂缝等情况，经审查会专家组意见：同意主桥上部结构拆除更换为变截面波形钢腹板单箱双室连续箱梁，下部结构维修利用。下部结构跨堤桥65#主墩原设计墩高为7.34m，考虑到改造后主梁底板宽度增大，支座位置应尽量靠近边腹板，因此需要对主墩墩顶位置盖梁处理，65#墩较高，具备改造条件，65#改造后墩顶设置4m 帽梁，支座间距按照11.5m 设置；66#墩位于大堤上，墩身总体高度较小，墩身总高仅为2.59m，不具备设置大型帽梁的条件。为了满足截面抗剪计算需求，该主墩支座间距减小至9.5m，支座放置于承台之内，同时加大主墩横向截面的尺寸，由原2.5m 增大至5m。跨堤连续梁桥立面及断面图见图1和图2。

图1 桥梁纵向布置图(单位：m)

图2 桥梁横截面布置图(单位：m)

2 数值模拟

采用迈达斯Civil建立桥梁的有限元模型，主梁采用空间梁单元进行模拟，全桥共划分为56 个单元，57 个节点[5]。以公路-Ⅰ级荷载作为验算荷载对其进行计算分析，该静载试验主要测试主梁各控制截面在最不利设计荷载(静载)下的最大内力，图3为计算模型截图。

图3 桥梁MIDAS模型

通过软件分析，计算得出桥梁在设计荷载作用下的弯矩包络图和应力包络图分别见图4和图5。

图4 桥梁弯矩包络图(单位：kN·m)

图5 桥梁应力包络图(单位：kPa)

由弯矩包络图和应力包络图的内力和应力的峰值，并根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，最终确定该桥的关键控制截面。

3 荷载试验分析

3.1 静载试验

(1)静载试验工况

通过有限元分析及其规范的规定，确定了此次荷载试验的4个主要内力控制截面，分别为A、B、C和D截面，对应于这4个内力控制截面，确定5个静载试验工况。如图1所示[6]。

静载试验工况：

工况1：A截面最大正弯矩，偏载试验，测试A截面各测点应变和挠度；

工况2：B截面最大负弯矩，偏载试验，测试B截面各测点应变；

工况3：C截面最大正弯矩，偏载试验，测试C截面各测点应变和挠度；

工况4：C截面最大正弯矩，中载试验，测试C截面各测点应变和挠度；

工况5：D截面最大正弯矩，偏载试验，测试D截面各测点应变和挠度。

(2)应变测点布置

桥梁的应力超限，往往是主梁发生开裂的直接原因，为了准确地测量主梁在荷载作用下，主梁顶板、腹板和底板的关键点的应力值，此次荷载试验的应力测点，分别在三个构件上布置测点，具体测点见表1和图6。

表1 主桥测点位置分布表

图6 主梁控制截面应变测点布置示意图(单位：cm)

(3)挠度测点布置

挠度做为评价桥梁整体刚度的重要参数，挠度的控制，主要控制关键的测点，如桥梁跨中截面、1/4截面和支点截面等。本次荷载试验采用水准仪进行测量，在桥台处设置不动点。各测点横向分别距人行道内侧15cm，编号依次为：0-1、……、6-1。加载采用分级加载形式，具体布置方法见图7。

图7 挠度测点布置图(单位：m)

3.2 动载试验

为了测得桥梁前3阶的竖向自振频率及振型，在桥面上布置多个拾振器，测点布置在桥跨四等分点位置(墩顶处除外)，共设置9个测点，从小桩号向大桩号布置测点，依次为V-1～V-9，1个参考点，参考点均在伸缩缝以外[7-8]。

多次对环境激励下桥梁响应信号的功率谱进行平均分析，并利用每个测量点的幅度和相位关系，可获得桥梁的固有振动频率和模态值。其加速度信号由拾振器采集，并通过放大器放大再由采集仪采集大量加速度信号。环境振动的采样频率为500Hz，采样时间1500s，环境振动测试测点布置图如图8所示。

图8 桥梁模态测点布置图(单位：m)

3.3 结果分析

(1)应变结果对比分析

各控制截面底板、腹板和顶板处的实测值与理论值对比，见图9。各工况作用下各主梁截面正应力区，实测应变值小于理论值，负应力区，实测应变值大于理论值，且两者的变化规律趋同。应变最大校验系数为0.80，与同类型桥梁的实测结果基本相同，工作性能较好。

图9 各工况作用下各截面应力对比图

(2)挠度结果对比分析

各控制截面在其加载工况下的桥面挠度测点实测结果和理论计算值见表2。

表2 箱梁各断面挠度数据

根据表2中实测结果，可以看出试验跨挠度校验系数在0.64～0.80范围内，实测挠度与理论计算结果的变化规律一致，满足相关规范要求。通过规范给定的公式计算出允许挠度值，可知桥梁主跨的允许挠度为113.33mm，而桥梁在各工况荷载作用下实测最大挠度为17.73mm，远小于规范规定的允许值。

(3)动力特性对比分析

由拾振器采集的数据，通过模态识别，可得出前面三阶实测频率值，分别为1.952Hz、3.713Hz和 4.544Hz，与理论值相比分别为1.17、1.09和1.06，再通过测点的实测数进行模态分析，具体如图10所示。

图10 各阶竖弯实测振型图

根据实测各测点时域波形图的频谱分析结果，可得出前三阶实测频率与理论计算频率之比，详见表3。

表3 桥梁自振频率实测与理论值对比

4 结论

通过对宽幅波形钢腹板PC组合箱梁桥的动静载试验以及有限元的模型的分析，可以得出以下结论：

(1)在静载试验各工况下，控制截面的挠度与应变实测值均小于理论值和规范给定的允许值，其中应变和挠度校验系数分别在0.50～0.65和0.64～0.80之间，均满足规范要求。主要测点最大相对残余变形为11.11%、挠度最大相对残余变形为5.32%，相对残余应变及相对残余挠度满足规范要求[9-10]。通过静载试验分析可知，该桥的静力性能还处于弹性阶段。

(2)在环境激励法试验下，获得了桥梁前3阶的自振频率，实测各阶自振频率值均大于理论计算值，表明桥梁的整体刚度和性能满足要求。