動荷載下裝配式預應力砼箱梁剛度退化特征研究

夏超

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司， 四川 成都 610036)

裝配式預應力砼箱梁在汽車荷載、環(huán)境變化等因素影響下會產(chǎn)生一定損傷與開裂，研究動荷載下裝配式預應力砼箱梁力學性能退化特征對保證橋梁的安全性十分重要。李龍祥等基于循環(huán)荷載試驗，研究了無砟軌道-橋梁結構體系剛度退化性能，基于橋梁結構的剛度退化曲線構造了不同服役期循環(huán)荷載作用后等效靜力模型，指出橋梁結構剛度隨結構服役時間的增加而降低，且其縱向與豎向位移不斷增大，結構力學性能劣化。張賀斌等對某高速公路大跨徑橋梁開展靜載試驗，得出實測基頻與理論基頻十分接近，該橋在運營9年后存在明顯的剛度退化，而這種剛度退化是由施工階段的先天缺陷造成的。梁志廣等對某簡支梁橋展開研究，發(fā)現(xiàn)梁體(片)剛度退化導致該橋結構跨中橫向分布狀態(tài)劣化。現(xiàn)有試驗成果多關于橋梁的靜載剛度退化，缺少橋梁動剛度性能退化研究。該文開展不同荷載作用下砼動荷載現(xiàn)場足尺試驗，研究動荷載下裝配式預應力砼箱梁剛度退化特征。

1 工程背景與研究方法

1.1 工程概況

四川省某9 m×40 m先簡支后連續(xù)裝配式預應力砼箱梁橋，設計荷載為超-20級。由于長期使用及環(huán)境變化等因素的影響，橋面出現(xiàn)大量砼裂縫，嚴重危害交通安全。經(jīng)過深入研究，認為修補措施難以根除其結構性病害，需進行拆除重建。

1.2 試驗方法與試驗設計

通過現(xiàn)場加載試驗對該橋裝配式預應力砼箱梁的動荷載剛度退化特征展開研究，主要使用的加載設備有地錨式反力樁、橫梁和液壓千斤頂，并在千斤頂下設置力學傳感器以合理控制加載力大小。動力測試主要參數(shù)包括主梁撓度、裂縫寬度、自振頻率和振型，撓度傳感器和加速度傳感器布置見圖1。

圖1 傳感器的布置

1.3 試驗流程

這次試驗在工程現(xiàn)場進行，支撐采用實橋拆除的橡膠支座。試驗研究共包括5種工況，分別模擬5個不同荷載水平(不同車載)作用下砼箱梁的動力響應特征。采用分級加載方式進行試驗，5種工況對應5級荷載，分別為0、520、860、1 160、1 240 kN。加載到預定荷載后進行動力試驗，并記錄相關參數(shù)。

2 試驗結果分析

2.1 測點振幅

表1為不同動荷載水平下砼箱梁最大振幅位移。由表1可知：隨著荷載水平的增大，砼箱梁的最大撓度增大。在520 kN荷載作用下，砼箱梁的最大撓度為47 mm；860、1 160、1 240 kN荷載下最大位移分別為520 kN荷載下的1.53、3.15、3.64倍。

表1 不同荷載水平下砼箱梁最大振幅位移

圖2為不同動荷載下砼箱梁測點振型。由圖2可知：1) 砼箱梁的一階振型以箱梁中點線為軸線相互對稱，砼箱梁兩段與支座成約束點的振動幅度基本為零，約束對箱梁的振動有著很好的約束作用；隨著測點距離的推進，動荷載引起橋梁的振動越發(fā)明顯，振幅在砼箱梁的中點部分達到最大。表明試驗梁一階模態(tài)振型沿中點對稱，且在跨中區(qū)段開裂更嚴重，而在兩端產(chǎn)生的變形與裂紋較少。2) 動荷載下砼箱梁的二階振型為正弦函數(shù)波形，箱梁在1/4和3/4點(測點3、7)處達到最大振幅。

圖2 動荷載下砼箱梁實測振型

2.2 荷載對豎向頻率的影響

動荷載下砼箱梁一、二階豎向頻率隨荷載的變化及豎向頻率與荷載之間關系的函數(shù)擬合結果見圖3。從圖3可以看出：1) 隨著荷載的增大，試驗梁的一、二階豎向頻率逐漸降低。究其原因，隨著荷載的提升，砼箱梁內(nèi)部不斷產(chǎn)生新的裂縫，結構整體損傷程度不斷提高，砼箱梁的剛度下降，因而砼箱梁的豎向頻率不斷降低。2) 隨著荷載的增大，砼箱梁的一、二階豎向頻率呈線性降低趨勢，豎向頻率與荷載

圖3 動荷載下砼箱梁豎向頻率隨荷載的變化

之間成負線性函數(shù)關系，線性函數(shù)擬合效果較好，相關系數(shù)R2在0.95以上。3) 二階豎向頻率的平均值遠高于一階豎向頻率的平均值，且二階豎向頻率隨著荷載的增大而逐漸衰減的速率高于一階豎向頻率，表明動荷載下產(chǎn)生的結構損傷對二階豎向頻率的影響更明顯。

2.3 剛度退化特征分析

常見橋梁結構的阻尼比很小，在不考慮結構阻尼比的前提下，簡支梁前i階固有頻率的計算方法如下：

(1)

式中：ωi為第i階自振頻率；L為梁跨徑；EId為未開裂梁的動剛度；m為單位長度梁的質(zhì)量。

梁的動剛度為：

(2)

式中：k為荷載級數(shù)，k=1,2,3,4,5。

動剛度衰減系數(shù)計算方法如下：

(3)

不同水平動荷載作用下砼箱梁的剛度衰減系數(shù)及動剛度衰減系數(shù)與荷載之間關系的函數(shù)擬合結果見圖4。由圖4可知：1) 隨著荷載的增大，砼箱梁的動剛度逐漸降低，動剛度衰減系數(shù)不斷減小。在初始未加載條件下，砼箱梁的剛度衰減系數(shù)為1.0；荷載達到520 kN后，剛度發(fā)生大幅度衰減，剛度衰減系數(shù)為0.848 2，同比下降15.18%；隨著荷載的逐漸提高，砼箱梁的動剛度逐漸趨于穩(wěn)定，荷載為1 160和1 240 kN條件下砼箱梁的動剛度衰減系數(shù)均在0.80左右，同比降低20%左右。表明隨著荷載的提升，砼箱梁的損傷程度上升，內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展，砼箱梁破壞程度逐漸提高。2) 隨著荷載的增大，砼箱梁的動剛度衰減系數(shù)呈現(xiàn)減速降低的趨勢，動剛度衰減系數(shù)與荷載之間成負指數(shù)函數(shù)關系，線性函數(shù)擬合效果較好，R2=0.999 1。

圖4 砼箱梁動剛度衰減系數(shù)隨荷載的變化

2.4 砼箱梁開裂特征研究

圖5為不同工況下動力試驗后砼箱梁的裂縫擴展情況。由圖5可知：低荷載作用下砼箱梁上產(chǎn)生的裂縫主要集中在箱梁中點部位，且主要為張拉破壞，與前述一階模態(tài)振型結果相對應；隨著荷載水平的提高，砼箱梁上的裂縫逐漸增多，且逐漸由中點向兩端擴散，裂紋方向也逐漸由豎直方向向傾斜方向過渡。綜上，砼箱梁的破壞特征能與試驗結果很好地對應起來，荷載越大，砼箱梁的損傷破壞程度越高，動剛度越小。

圖5 不同工況下砼箱梁開裂特征

3 結論

(1) 隨著荷載水平的提高，砼箱梁的一、二階豎向振動頻率降低，二者之間成負線性關系；動荷載下產(chǎn)生的結構損傷對二階豎向頻率的影響更明顯。

(2) 隨著荷載水平的提高，砼箱梁上裂紋逐漸增多且逐漸由中部向兩端擴展，砼箱梁破壞程度不斷提高；砼箱梁的動剛度不斷下降，動剛度衰減系數(shù)也不斷降低，動剛度衰減系數(shù)與荷載之間成負指數(shù)函數(shù)關系。