大跨度有損傷連續梁荷載試驗數據與損傷分析

鄭舟軍 史慧彬 黃海洋

(1.浙江交工高等級公路養護有限公司 舟山 316034； 2.浙江滬杭甬高速公路股份有限公司 310016)

1 工程背景

某預應力混凝土連續梁橋于2004年建成，主跨布置為80 m+150 m+80 m，左、右幅分幅建造。上部結構截面布置為單箱單室，底寬6.0 m、頂寬10.8 m，主墩支點處截面高9.0 m，跨中截面高3.0 m。主橋下部結構采用實體墩和鉆孔灌注樁。

主要技術標準：①設計行車速度，60 km/h；②橋面寬度，按雙向四車道標準設計，橋梁全寬 22.5 m；③設計荷載，汽車-超 20 級；驗算荷載：掛車-120。④地震烈度，按七度設防；⑤通航標準，設一個主通航孔，凈高 21 m，凈寬 130 m，設計最高通航水位為 3.09 m。橋梁立面見圖1。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

該橋于2015年首次發現中跨跨中合龍段底板存在少量橫向裂縫，經過裂縫封閉處治后病害持續擴展，于2020年上半年進行了特殊檢查和靜動載試驗[1-3]，下半年進行了橋梁維修加固。檢查大橋中跨合龍段箱梁，發現有規律的底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，其中5條裂縫寬度超過JTG/T J21-2011 《公路橋梁承載能力檢測評定規程》限值，箱梁內外裂縫位置基本一致。歷年線形測量結果表明該橋中跨跨中撓度相比成橋時下撓約13.5 cm，接近計算跨徑的1/1 000。本文對本次荷載試驗和2004年成橋荷載的數據進行對比分析，結合精細化空間有限元模擬跨中結構損傷，對大橋的荷載試驗數據和損傷程度進行進一步分析和研究。

2 荷載試驗概況

2004年大橋交工驗收前檢測單位對該橋進行了成橋靜動載試驗，試驗采用三軸載重汽車(300 kN)，右幅橋梁9個工況，左幅橋梁5個工況，獲得了橋梁的初始受力狀態和參數。

2020年大橋加固前對該橋進行了靜動載試驗，試驗采用三軸載重汽車(350 kN)，對左幅橋梁分8個工況進行加載，掌握了橋梁現狀受力狀態和參數。

鑒于該橋在歷年定期檢查中發現中跨跨中存在底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，為了了解橋梁跨中截面的損傷狀況及橋梁自身受力狀態的演變過程，本文將對比2次荷載試驗的實測結果，并對大橋損傷狀況進行分析和評價。2次荷載試驗在中跨跨中最大正彎矩加載工況下的試驗基本數據見表1，加載輪位見圖2。由于計算模型和方式存在一定差異，造成2次荷載試驗加載參數存在一定差異，但總體基本一致，可以進行對比分析。

表1 2次荷載試驗加載參數

圖2 跨中截面加載工況輪位布置(單位:m)

3 靜載試驗數據分析

3.1 跨中截面試驗數據

3.1.1混凝土應變數據

中跨跨中截面是橋梁設計的重要控制截面，本橋該截面位置存在嚴重病害，分析該處最大正彎矩工況作用下的結構響應尤為重要。本次試驗和成橋試驗的跨中截面應變測試結果見表2。

表2 跨中截面應變測試結果

成橋荷載試驗得到的結構校驗系數普遍較小，表明新建橋梁其剛度較好。頂板位置校驗系數為0.34～0.39，相對偏低，分析其原因可能與該橋橋面鋪裝調平層采用10 cm鋼纖維混凝土有關，這將大幅提高頂板剛度，而在理論計算時未考慮其貢獻。

本次荷載試驗時，跨中截面底板混凝土已開裂，嚴格來說其測試結果僅為名義應變，并不能完全代表結構的真實受力。但跨中截面底板應變校驗系數也為0.69～0.76，遠大于成橋試驗結果，說明試驗時結構響應偏大。需要指出的是混凝土名義應力用作計算的結構校驗系數是不準確的。頂板應變的實測值和校驗系數數值在2次試驗中基本一致。

3.1.2跨中裂縫寬度數據

在中跨跨中最大正彎矩工況加載時，對跨中截面上底板和腹板的典型裂縫寬度進行了監測，監測結果見表3，表中數據從檢測報告摘錄。

表3 跨中截面裂縫寬度結果

由表3可見，試驗過程中底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫均有不同程度的增加，確證該裂縫為結構性裂縫，對橋梁的承載能力和結構耐久性有影響。裂縫寬度殘余率不超3%，說明試驗荷載作用下未造成結構二次損傷，推測混凝土結構主筋未出現材料屈服。

3.2 墩頂截面應變分析

墩頂截面最大負彎矩加載工況下，墩頂截面結構應變的實測情況見表4，表中數據從檢測報告摘錄。

表4 墩頂截面的試驗應變結果

由表4可見，總體而言，墩頂截面由于結構剛度大，又處于復雜應力狀態，截面應力水平不大，會影響試驗實測值的精度。本次荷載試驗結果顯示，墩頂截面的實測應變和校驗系數相比成橋荷載試驗結果有較大幅度增量，其中底板最大校驗系數接近1。加載過程中未發現墩頂截面有混凝土開裂等異常現象，但其校驗系數偏大，說明墩頂截面荷載作用效應增加，推測可能是由于材料性能降低或邊界條件發生變化。

3.3 跨中撓度數據分析

跨中截面最大正彎矩工況作用下主梁跨中最大撓度測試結果見表5。對比2次荷載試驗結果，雖然兩者荷載稍有差異，但是本次試驗撓度值遠大于成橋荷載試驗，其中對稱加載工況跨中撓度增加36%，偏載加載工況跨中撓度增加99%，本次荷載試驗結果撓度校驗系數偏大。

表5 跨中撓度試驗結果

4 結構損傷程度分析

4.1 跨中損傷程度

上述荷載試驗的輪位計算和計算值是按結構完好狀態進行的，而實際結構如存在明顯的損傷，特別是在上述試驗結果中也證實結構存在損傷，建立更加精確的計算模型并考慮已經確證的結構損傷，在此基礎上得到的損后結構校驗系數，更具有實際意義且有助于發現其它損傷。根據預應力鋼筋混凝土受力原理，當混凝土出現受拉而開裂后，受拉混凝土退出受力狀態，鋼筋及預應力鋼絞線繼續受力。

新計算模型采用三維實體單元建模，根據跨中裂縫分布情況考慮開裂區混凝土處于不受力狀態，而鋼筋和預應力鋼絞線繼續受力，計算得到修正理論值見表6。

表6 跨中截面損后結構校驗系數分析

根據外觀檢查和試驗結果，跨中截面上底板的應變和裂縫寬度存在顯著增加，使應變實測值和校驗系數只代表名義值，真實受力情況應對所在位置對應方向的主筋應力進行測試。由于試驗過程中未對鋼筋受力進行檢測，采用綜合考慮混凝土應變和裂縫寬度變化量估算底板試驗總應變實測值。在測試得到截面混凝土應力的基礎上，根據外觀檢查結果底板橫向裂縫間距大約在50 cm，裂縫寬度增加量折算混凝土的應變約為320×10-6，然后得到試驗總應變實測值。最后得到底板的損后結構校驗系數為0.50～0.51，頂板的損后校驗系數0.49～0.61，總體趨于合理。

4.2 墩頂截面損傷程度分析

采用空間實體模型分別計算跨中結構完好和結構損傷2種模型，與本次實測結果進行對比，結果見表7。

表7 墩頂截面損后結構校驗系數分析

由表7可見，跨中損傷對墩頂截面應變有一定影響，截面頂底板應變將增加約5%。采用空間實體模型計算得到的未考慮損傷和損傷狀態的校驗系數為0.55～0.79，符合常規混凝土橋梁結構校驗系數通常范圍，可以判斷墩頂截面不存在明顯結構損傷。

4.3 跨中損傷程度

采用空間實體模型分別計算跨中結構完好和結構損傷2種模型，與本次實測結果進行對比，結果見表8。

表8 跨中撓度損后結構校驗系數分析

由表8可見，在跨中截面最大正彎矩工況對稱加載時，未考慮損傷時結構校驗系數為0.64，考慮損傷后結構校驗系數為0.56～0.57，仍稍大于成橋荷載試驗，主要是環境及材料影響造成抗力折減，但總體符合橋梁建成十多年的實際現狀。在跨中截面最大正彎矩工況偏載加載時，未考慮損傷時結構校驗系數為0.85～0.99，考慮損傷后結構校驗系數為0.75～0.88，說明偏載作用下撓度效應仍偏大，確證了跨中截面損傷。針對損傷后結構校驗系數仍小幅偏大，結合橋梁實際裂縫分布，推測該側腹板的損傷可能比模擬狀況嚴重。

5 動載試驗數據分析和解讀

5.1 動載數據試驗

橋梁的動載試驗[4]是為了測定橋梁結構自身的動力特性，如結構的自振頻率，阻尼特性及固有振型等，掌握引起結構產生振動的作用力數值、方向、頻率和作用規律等，同時也測定動荷載作用下強迫振動的動力響應。在成橋荷載試驗中進行動載試驗是為了獲取橋梁初始狀態的動力性能參數，建立基準初始資料。在服役橋梁中進行動載試驗主要是了解橋梁動力性能的變化趨勢，輔助了解結構性能的受損等狀況。2次動載試驗的實測結果見表9。

表9 2次動載試驗實測結果

由表9可見，結構阻尼比反映結構在振動過程中的能量耗散，本次動載試驗測試阻尼比結果較成橋大幅增加。本橋中跨豎向振動一階頻率減小5.39%，各階次豎向振動頻率有小幅增加，主要原因是結構的豎向剛度有一定的折減。

5.2 動載數據損傷

動載試驗的計算值和實測值有一定的差異，動力數據沒有結構校驗系數一說，其主要反映全橋整體性能的重要受力參數指標，跟結構剛度和質量分布密切相關。動力性能計算對計算模型的建模精度要求極高，不但要求精確模擬承重結構的剛度和質量，更要求模擬橋面鋪裝和防撞護欄等附屬設施的實際剛度貢獻和質量。在橋梁自重不變的情況下，橋梁結構頻率的變化趨勢實際上是結構整體剛度的變化。

以往很多學者采用模態分析手段進行損傷識別，從理論上是完全可行的。按照上述損傷計算模型分別計算了無損結構和跨中損傷結構的各階頻率變化，結果見表10。

表10 考慮中跨跨中損傷后各階頻率計算值對比表

根據表10計算結果，跨中損傷對結構部分豎向頻率有顯著影響，對橫向振動頻率的影響稍小，影響較大的豎向振動頻率變化量為3%～5%。具體分析影響較大的振動模態，當損傷位置離振動模態零軸越遠，其頻率變化量就越大，反之同理。頻率變化量較大的3個振型圖見圖3，分別是豎向振動的1階、3階和5階模態。

圖3 損傷敏感的振動振型

由圖3可見，本次動載試驗結果顯示第1階和第3階豎向振動頻率有較大幅度減小，符合橋梁跨中存在損傷狀況的計算結果。

在實踐過程中，對于交通量較大的高速公路、城市快速路，封橋進行靜載試驗是比較困難的，但進行動載試驗的條件相對容易達到。可以利用上述規律采用動力響應數據或曲率模態進行損傷判斷，同時也可以在加固后采集動力數據進行對比分析，利用動力響應數據變化狀況輔助評價加固效果[5]。

6 結語

1) 對比分析2次荷載試驗實測結果，跨中截面荷載效應實測值較成橋狀況有較大幅度增加，通過實體模型考慮跨中截面損傷后計算損傷后結構校驗系數總體趨于合理，證實橋梁跨中截面存在顯著損傷，大橋需要及時維修加固。

2) 建議對帶有明顯損傷橋梁的荷載試驗，在制定荷載試驗方案時考慮結構損傷對結構安全的影響，合理設定試驗加載效率；對已開裂混凝土結構，建議在試驗中測試主筋受力，提高對已開裂混凝土或潛在開裂區域的測試精度；在動載試驗時應掌握前一次試驗的實測值，對損傷敏感的頻率和振型重點檢測，提高檢測精度。

3) 荷載試驗得到的結構校驗系數是評判結構實際狀況的重要指標，檢測單位應重視理論計算值的準確性。