高平大橋V型墩連續梁原位荷載試驗分析及加固對策

李永河

(廣州大學 土木工程學院，廣州 510006)

1 工程概況

高平大橋為鋼筋混凝土V型墩連續梁斜橋，斜交角10°，橋長51 m，跨徑組合8 m+35 m+8 m，橋面總寬32 m，橋面為雙向6車道加雙側人行道布置。該橋的上部結構由10片矩形縱梁、11片橫隔板及20 cm厚的橋面板共同組成，每個V型墩由墩底有橫梁相連的10片矩形截面小V型墩組成，每片小V型墩的墩頂直接與對應的縱梁相固結，墩底橫梁下設有10個橡膠支座支承在樁頂承臺上。該橋于1997年建成，設計荷載:汽—20級，人群荷載3.0 kPa，驗算荷載:掛車—100級。該橋結構立面圖見圖1所示。

該橋存在如下主要病害:①各梁跨中部位存在大量裂縫，許多裂縫寬度超過規范限值;②主跨跨中附近橋面明顯下陷，最大下撓值13 cm，已嚴重危害橋梁安全。為掌握該橋的使用現狀及承載能力，筆者對該橋進行了現場原位荷載試驗，并分析病害成因，提出加固對策。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

2 靜載試驗

靜載試驗是根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》［1］和《公路橋梁設計通用規范》［2］，以及有關的設計文件資料進行的，根據該橋的受力計算分析結果，并結合試驗橋現場試驗條件而制訂的。

2.1 設計活載效應計算

活載效應計算是運用Midas橋梁計算專用軟件，建立了該橋的空間板和梁組合有限元模型(圖2)，共劃分為1 164個梁單元和1 600個板單元。利用該有限元模型進行結構活載內力計算、并進行試驗反應和自振特性的計算分析。

圖2 空間有限元模型

利用動態規劃加載法計算出該橋在設計荷載及驗算荷載作用下，2#縱梁跨中截面最大正彎矩和1#縱梁V型墩與主跨相交的外側截面最大負彎矩。其中2#縱梁的彎矩包絡圖如圖3所示。鑒于該橋的各縱梁、V型墩均具有相同的結構構造，故由1#、2#縱梁、V型墩的設計內力可歸納出單片縱梁主要截面、V型墩與梁相交處4個根部截面的控制內力。

圖3 2#縱梁的彎矩包絡圖

2.2 加載程序

為了獲得結構試驗荷載與變位及應力關系的連續性和防止結構意外損傷，加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后一次卸到零級荷載。加載位置與加載工況的確定主要依據的原則是:盡可能用最少的加載重車滿足試驗荷載效率，同時應考慮簡化加載工況，縮短試驗時間，在滿足試驗荷載效率的前提下對加載工況進行適當合并，每一加載工況以某一檢驗項目為主，兼顧其他檢驗項目。

本橋采用汽車加載，需要4臺重約30 t的重車。工況1為2臺重車，工況2和工況3各為1臺重車(試驗荷載載位如圖4所示)，通過三級加載，可使得1#、2#縱梁的跨中截面正彎矩、V型墩與縱梁相交外側截面負彎矩、V型墩根部截面負彎矩達到加載效率。

2.3 主要測試結果及分析評定

圖4 試驗荷載載位(單位:cm)

圖5 1#縱梁縱截面測點在試驗荷載作用下的實測撓度曲線

圖6 1#縱梁縱截面測點在試驗荷載作用下的計算撓度曲線

在各級試驗荷載作用下，橋梁實測變形曲線如圖5，計算變形曲線如圖6。在試驗荷載作用下，主要測點的實測彈性撓度值與理論計算值的比值(校驗系數)均在0.87～1.05之間，其中在工況3試驗荷載作用下，最大彈性撓度實測值為18.4 mm，對應的理論計算撓度為19.2 mm，兩者的比值為0.96。由圖5、圖6撓度分布圖可知，縱梁兩端測點與理論計算結果反號，說明靠近梁端的V型墩斜撐和縱梁的節點與理想狀態差異較大。

在各級試驗荷載工況的作用下，各截面主要應變測點的實測最大彈性應變值與計算值比較如表1所示，在工況3(滿載)試驗荷載作用下，跨中(A-A)截面2#縱梁下緣測點的最大彈性應變值為355×10－6，而對應的理論計算最大應變值為305×10－6，校驗系數為1.16，不能滿足規范的要求。

表1 工況3(滿載)下應變測點的實測值與計算值比較 ×10－6

3 動載試驗

動載試驗主要內容是測試橋梁結構的自振特性、受迫振動特性及振幅、加速度幅值。試驗采用一輛重約100 kN的汽車，在橋面上分別進行速度20 km/h、40 km/h、60 km/h的跑車及跳車試驗，由 DASP動態數據采集系統進行數據采集及分析。動態測試的5個測點沿主線梁中線布置。其自振頻率及振型計算結果如表2所示，計算所得的該橋一階振型如圖7所示，實測加速度時程曲線及頻譜圖如圖8所示。動測數據分析表明:該跨橋一階自振頻率為3.809 Hz，而對應的理論計算一階頻率為3.844 Hz，實測頻率小于理論計算值，說明該橋實際剛度偏小，振動響應較大，行車性能較差。

表2 自振頻率及振型計算結果

圖7 一階振型——全橋正對稱豎彎

圖8 加速度時程曲線及頻譜圖

4 結論及加固建議

1)該橋各縱梁主跨范圍裂縫較多、橋面跨中部位明顯下撓、縱梁兩端與支承墊石脫空、橋面人行道板開裂、橋臺護坡開裂淘空，縱梁混凝土抗壓強度未能滿足設計強度要求，且縱梁混凝土碳化深度值較大，混凝土性能有所退化。靜動載試驗檢測表明:橋梁結構雖處于線性工作階段，但工作性能較差，部分檢測指標不能滿足《設計規范》及《試驗方法》的要求。

2)根據檢測結果及該橋實際病害情況，在審閱該橋設計圖紙后發現該橋存在主跨和副跨的跨徑劃分不夠合理、縱梁端部支座缺失等先天缺陷，為保證該橋的安全運營，建議進行加固，具體措施建議如下:①增設體外預應力束，粘貼鋼板，以解決梁體跨中下撓、改善工作性能、增大梁體剛度、增強結構的安全儲備;②在縱梁端部增設橡膠支座;③將橋端至V型墩的3 m橋跨范圍用鋼筋混凝土填實，以改善不合理的主跨和副跨的跨徑劃分現狀，避免跨中梁體進一步下撓，并使梁端主動壓在增設的橡膠支座上。

［1］中華人民共和國交通部.YC4—4/1978 大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［S］.北京:人民交通出版社，1992.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［3］施洲，蒲黔輝，勾紅葉.曲線梁—斜跨拱組合鋼橋結構分析與試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(12):26-30.