在役預應力混凝土連續小箱梁橋承載能力試驗研究

周 賓

（同濟大學，上海市 200092）

0 引言

近年來由于我國經濟的快速發展，公路交通的通行量和單車荷載重量均呈快速增長趨勢，由于自然環境（大氣腐蝕、溫度和濕度變化）和使用環境（荷載作用與頻率的增加、材料與結構的疲勞）的作用，加之我國目前公路橋梁中荷載等級較低的橋梁總數大且超載現象普遍存在，導致高速公路橋梁結構產生各種病害并出現過早損壞的不正常現象。因此，如何對這些既有橋梁進行綜合評定，在安全可靠的前提下，盡量挖掘橋梁結構的潛力，充分發揮現有橋梁的使用價值，避免橋梁修理替換的高額費用和延長橋梁的使用壽命，大量節省國家開支，已成為迫在眉睫的事情[1-3]。本文對重載通行下的某省道預應力混凝土連續小箱梁橋進行了承載能力試驗研究，重點掌握此類在役橋梁在試驗荷載作用下的實際工作狀態，評價其實際承載能力和工作性能；同時通過研究該類橋的靜力行為，探討大橋的剛度、強度和整體性能，對今后同類型橋梁的設計、計算分析和安全評定可起到借鑒作用。

1 工程概況

研究對象為某省道改造利用的在役連續小箱梁橋，跨徑布置為（3×30）m+（4×30）m，單幅橋寬11.50 m，結構及橋面連續。上部結構為裝配式預應力混凝土小箱梁，梁高1.6 m，橫向4 片布置，梁間中心間距為3.15 m，邊跨預制小箱梁底板布置38 束φs15.2 mm 的低松弛鋼絞線，中跨底板布置32 束φs15.2 mm 的低松弛鋼絞線，頂板布置30 束φs15.2 mm 的低松弛鋼絞線，混凝土采用C50。設計荷載：公路-I 級。全橋總體布置及橫斷面示意見圖1。

圖1 全橋總體布置及橫斷面示意圖（單位：cm）

2 靜載試驗

2.1 測點布置

根據該橋理論分析并結合橋梁現場情況，在全橋范圍內選取S1～S6 共6 個控制部位（斷面），圖2 為主梁測試斷面及變形、應力測點布置示意圖。同時，在S1、S6 斷面1# 小箱梁底面沿縱向50 cm 范圍內布設千分表引伸儀觀測加載前后裂縫開展情況，在0# 臺～2# 墩、5# 墩～7# 臺1# 小箱梁頂部支座處布設測點觀測支座豎向變形，每個墩臺頂布設2 個測點。

圖2 主梁測試斷面及變形、應力測點布置示意圖（單位：cm）

2.2 試驗荷載與工況

為使靜載試驗能充分反映結構的受力特點，加載效率宜介于0.95～1.05 之間[4]。現場選用了6 輛單車滿載總重約350 kN 的載重車作加載車輛。實際試驗車輛的前后軸輪距為180 cm，前中軸軸距為400 cm，中后軸軸距為140 cm。具體各荷載工況可參見參考文獻[1]。表1 給出了靜載試驗各加載工況的主要結構內力的理論計算值以及相應的荷載效率η。由表1可知，各試驗工況的荷載效率系數介于0.96～1.02之間。

表1 各控制部位試驗荷載效率系數

2.3 試驗變形結果與分析

整個加卸載全過程均未發現新增的可見裂縫，各工況下測點殘余應變或變形均小于20%。第一聯（3×30 m）各控制斷面主梁撓度測點的試驗校驗系數在0.80～1.09 之間，第二聯（4×30 m）主梁撓度測點的校驗系數在0.49～0.80 之間。圖3 為相應加載工況下S3、S4 撓度實測值與計算理論分析值對比結果。結果表明：第一聯（3×30 m）主梁部分測點實測撓度略大于理論計算值，表明主梁結構剛度不滿足設計荷載的剛度。第二聯（3×30 m）主梁實測撓度均小于理論計算值。在橫向對稱加載情況下，主梁斷面撓度（或變位）分布均勻性較好；在橫向偏心荷載作用下，撓度的實測值與理論計算值相吻合。

圖3 相應加載工況下S 3、S 4 撓度實測值與計算理論分析值對比結果

2.4 試驗應力結果與分析

第一聯（3×30 m）各試驗控制斷面主要應力測點的試驗校驗系數在0.20～1.72 之間，第二聯（4×30 m）除個別測點外，主要應力測點的試驗校驗系數在0.21～0.97 之間。圖4 為相應加載工況下S3、S4 應力實測值與計算理論分析值對比結果。結果表明：第一聯（3×30 m）主梁主要測點實測應力遠大于理論計算值，表明主梁結構強度不滿足設計荷載的強度。第二聯（3×30 m）主梁實測應力均小于理論計算值，對稱荷載下主梁斷面應力分布較均勻。另一方面，主梁混凝土應變沿梁高基本呈線性分布，符合平截面假定，箱梁仍處于彈性工作狀態，但實測中性軸較理論中性軸上移10%～15%。

圖4 相應加載工況下S 3、S 4 應力實測值與計算理論分析值對比結果

3 動載試驗

3.1 試驗內容

動載試驗測試主梁在不同行車速度下的動應力及應力動態放大系數。以兩輛載重車（車輛總重量與靜載試驗車輛重量相同）進行跑車，跑車速度為勻速10、20、40 km/h。選取S1、S3、S4、S6 斷面共4 個控制部位測試小箱梁底板動應力及應力動態增量，每個斷面測點分別對應圖2 中應變片編號為：2、10、15、23。

3.2 試驗結果與分析

動載試驗測試主梁在不同行車速度下的動應力及應力動態放大系數。以兩輛載重車（車輛總重量與靜載試驗車輛重量相同）進行跑車，跑車速度為勻速10、20、40 km/h。選取S1、S3、S4、S6 斷面共4 個控制部位測試小箱梁底板動應力及應力動態增量，每個斷面測點分別對應圖2 中應變片編號為：2、10、15、23。

以典型的S1 斷面動應力時程曲線及動應力測試結果為例，表2 為S1 斷面實測應力峰值及動態放大系數結果。

表2 的數據分析結果表明：車輛以正常速度行駛時引起的S1、S3、S4、S6 斷面混凝土主梁底板縱橋向測點動態放大系數不大，動態放大系數在1.01～1.14之間。主梁各測試斷面的應力動態放大系數實測結果均在正常范圍內，且與行車速度無顯著關系。

表2 S 1 斷面實測應力峰值及動態放大系數

4 結論

（1）靜力試驗荷載下，第一聯（3×30 m）各試驗控制斷面主要測點應力與撓度實測值均大于理論計算值，不具有滿足預定設計荷載的強度和剛度，承載能力不滿足要求。

（2）靜力試驗荷載下，第二聯（4×30 m）各控制斷面的應力變化和撓度與理論值相吻合，實測值均小于理論計算值，受力行為與設計計算相符，具有承受相應預定設計荷載的強度和剛度，承載能力滿足要求。

（3）主梁混凝土應變沿梁高基本呈線性分布，符合平截面假定，箱梁仍處于彈性工作狀態，但實測中性軸較理論中性軸上移10%～15%。

（4）正常車輛動荷載作用下，試驗橋梁實測動態應力放大系數在正常范圍以內。

隨著重載交通下預應力混凝土連續小箱梁橋服役年限的不斷增加，此類橋梁的承載能力與安全評定問題將愈加突出，本次試驗研究對今后同類橋梁結構的設計優化和試驗評價提供借鑒和參考，并為此類橋梁的管養和維護提供依據和技術支持。