大跨径预应力混凝土连续刚构箱梁桥静动载试验分析.doc

大跨径预应力混凝土连续刚构箱梁桥静动载试验分析（福建省交通科学技术研究所， 福州 350004） 摘要 本文以某大跨径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了计算和试验分析,并依据相关规范对该桥的承载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 桥梁工程 大跨径 预应力 刚构桥 静动载试验 有限元分析1 引言连续刚构桥是预应力混凝土大跨梁式桥的主要桥型之一，连续刚构桥的主要特点是主梁连续墩梁固接，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T形刚构不设支座和无须体系转换的优点，方便施工，而且较大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度能很好地满足较大跨径桥梁的受力要求。因此，它是一种极有生命力的桥梁结构,已成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型。桥梁结构试验是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段，是对桥梁结构性能的最直接、最可靠的检测方法。静载试验可以直接了解桥梁结构的承载能力情况，验证桥梁结构的设计理论和计算方法，确定和判断桥梁的施工质量和桥梁结构的承载能力。2 桥梁概况 某新建高速公路上的一座特大桥梁，桥梁主跨采用预应力混凝土连续刚构，跨径为（85+155+85）m，上部结构采用单箱单室变截面连续刚构箱梁，梁宽12.25m（11.25m+20.5m的防撞栏杆），箱底板宽6.0m，箱梁顶板为2%的单向横坡，采用挂篮悬臂浇筑施工。箱梁根部梁高为9m，边跨直线段及主跨跨中处3.5m，梁高变化段采用二次抛物线过渡，箱梁底板厚度从跨中的28.0cm变化至主墩顶的120cm，腹板从跨中的45cm变化至主墩顶的100cm。主跨桥墩为5.0m6.0m的钢筋混凝土薄壁空心墩，最高的墩柱有100多m，基础为4f2.8m双排钢筋混凝土钻孔灌注桩群桩基础。设计荷载：汽超-20，挂-120。主桥的布置及中跨跨中截面如图1和图2所示。3 有限元模型采用MIDAS软件建立结构的有限元模型，模型采用梁单元模拟，其中上下部结构分别采用变截面的箱梁单元和一般梁单元模拟。虽然该桥部分结构的弯曲半径为830m，但相关资料表明其对结构的受力性能影响较小，因本文分析采用直线的有限元模型。同时为了简化模型，结构的基础采用等效刚度法计算出等效桩长，建立有限元模型，如图3所示.4 试验工况根据设计荷载和试验荷载计算结果，考虑桥梁实际使用荷载特点，选择七种最不利荷载工况进行静载试验，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4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350kN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1。表1试验工况和加载效率 4.1 静载试验工况静载试验工况如表1所示。4.2 动载试验工况 （1）脉动试验。桥梁自振特性采用脉动法测量。此法不需要使用笨重的激振设备，只需要使用高灵敏度的传感器放大器、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；而和结构的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。采用BJQN-4D光电桥梁挠度检测仪测定动挠度和冲击系数。在桥面无障碍的情况下，用一辆载重汽车（单车总重约350kN）以20km/h、30km/h、40km/h不同的速度往返在桥上行驶，测定行车状态下桥跨结构控制断面冲击系数和动挠度。4.3 加载过程控制在试验过程中,为了保证桥梁的安全和试验的顺利进行,按照规范进行加载控制：（1）加载严格按照程序进行,荷载逐渐由小到大增加； （2）加载过程中监控应变、裂缝的变化及结构的变形情况；（3）发生下列情况时停止加载：最大控制应变值超过极限应变值；实测挠度值超过本程序计算值过多；混凝土裂缝宽度超过0.25mm；量测数据不断增大且不能稳定时。5 试验结果分析5.1 静载试验结果分析5.1.1 挠度与位移 （1）挠度曲线。通过在边跨和中跨各截面的桥面两侧布置的水准仪挠度测点,测得工况1和工况5试验荷载作用下的桥面挠度曲线,如图4所示（其中1T、1C和1S分别表示工况1的试验实测挠值、有限元计算值和试验的残余挠度，5T、5 C和5S同理）。从图4可以看出，桥面挠度曲线符合结构在竖向荷载作用下的变形规律,实测值与计算值规律一致；且所有荷载卸零后,挠度曲线基本恢复为试验前的初始状态，表明在荷载试验过程中,桥跨结构始终处于良好的弹性工作状态,结构整体性良好。（2）主要控制截面挠度。在各工况荷载作用下，结构主要控制截面的挠度分析如表2所示。从表2可以看出，边跨最大正弯矩截面的挠度校验系数为0.720.74，中跨跨中截面的挠度校验系数为0.850.86，低于或处于大跨径混凝土桥梁的试验方法（1982年）规定的常值范围（0.71.07），且在试验的过程中，相对残余挠度小于大跨径混凝土桥梁的试验方法（1982年）规定20%。5.1.2 应变分析结果 在各工况荷载作用下，主要控制截面的应变分析如表3所示。从表3可以看出，边跨最大正弯矩截面应变校验系数为0.920.97，中跨跨中截面应变校验系数为0.710.75，支点最大负弯矩截面应变校验系数为0.72，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（0.71.05）；且在试验过程中，其相对残余应变小于大跨径混凝土桥梁的试验方法（1982年）规定20%。5.2 动载试验结果5.2.1 脉动试验结果对实测的信号经FFT分析、模态分析，得到该桥的14阶自振频率及振型，实测和计算的自振特性参数如表4所示，振型如图5至图8所示。从表4和图5图8可以看出，该桥实测横向1阶、纵向1阶和竖向1阶自振频率分别为0.525 Hz、0.763 Hz和1.125 Hz，与理论计算值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准确可行。该桥的第1振型和第3振型为平面外振动，第2振型为纵飘，第4振型为平面内振动，平面外频率为平面内频率的46.7%，表明该桥在平面外的刚度比较低，远低于平面内刚度。目前我国公路规范对于连续刚构桥结构的横向振动基本周期尚未有统一的评定指标，参照铁路桥梁检定规范和文献9，对于预应力连续箱梁桥，当其设计时速大于或等于80km/h时，规定其横向自振频率应大于 55/L0.8，即 0.437Hz，该桥的实测横向频率为0.525Hz，稍高于规定值，表明该桥的横向动力刚度能满足要求。5.2.2无障碍行车试验结果采用单辆加载车沿桥面中线对称位置上进行无障碍行车试验，行车速度按20km/h、30km/h和40km/h进行，测得的中跨跨中截面的冲击系数和动挠度如表5所示，实测的曲线如图9所示（只列出40km/h无障碍行车试验图）。图9中跨 从表5可以看出，无障碍的行车速度为20km/h 、30km/h和40km/h时，实测得的冲击系数分别为1.049、1.041和1.031，换算成标准车列的冲击系数为1.023、1.019和1.015，在计算值1.05容许的范围，表明该桥的冲击系数满足设计要求。6 结论通过对预应力连续刚构桥的静动载试验结果和各项控制指标进行分析,结论如下：（1）荷载试验中，桥面挠度曲线的实测值与计算值规律一致,桥跨结构始终处于良好的弹性工作状态,结构整体性良好；（2）主桥主要控制截面的应变和校验系数符合规范评定要求，该桥的承载能力满足规范和设计要求；（3）脉动试验表明，该桥自振频率的计算值与实测值基本吻合，表明本文所建的有限元模型准确可行；无障碍行车试验表明，实测得的冲击系数在计算值1.05容许的范围，该桥的冲击系数满足设计要求。（4）该桥实测第一阶横向频率值大于铁路桥梁检定规范的要求值，表明该桥的横向动力刚度能满足要求。参考文献1巩春领.大跨径连续刚构桥的结构分析D.东北林业大学硕士论文，20012 徐日昶.桥梁检验M.北京:人民交通出版社,1989,15-423公路桥涵设计通用规范S （JTG D602004）4 交通部公路科学研究所,交通部公路局技术处,交通部规划设计院.大跨径混凝土桥梁的试验方法M.北京:人民交通出版社,1982,1-