夏超

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 四川 成都 610036)

裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁在汽車荷載、環(huán)境變化等因素影響下會(huì)產(chǎn)生一定損傷與開裂，研究動(dòng)荷載下裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁力學(xué)性能退化特征對(duì)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(yàn)，研究了無(wú)砟軌道-橋梁結(jié)構(gòu)體系剛度退化性能，基于橋梁結(jié)構(gòu)的剛度退化曲線構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度隨結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加而降低，且其縱向與豎向位移不斷增大，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化。張賀斌等對(duì)某高速公路大跨徑橋梁開展靜載試驗(yàn)，得出實(shí)測(cè)基頻與理論基頻十分接近，該橋在運(yùn)營(yíng)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(duì)某簡(jiǎn)支梁橋展開研究，發(fā)現(xiàn)梁體(片)剛度退化導(dǎo)致該橋結(jié)構(gòu)跨中橫向分布狀態(tài)劣化?，F(xiàn)有試驗(yàn)成果多關(guān)于橋梁的靜載剛度退化，缺少橋梁動(dòng)剛度性能退化研究。該文開展不同荷載作用下砼動(dòng)荷載現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，研究動(dòng)荷載下裝配式預(yù)應(yīng)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(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋，設(shè)計(jì)荷載為超-20級(jí)。由于長(zhǎng)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(yán)重危害交通安全。經(jīng)過(guò)深入研究，認(rèn)為修補(bǔ)措施難以根除其結(jié)構(gòu)性病害，需進(jìn)行拆除重建。

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)對(duì)該橋裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁的動(dòng)荷載剛度退化特征展開研究，主要使用的加載設(shè)備有地錨式反力樁、橫梁和液壓千斤頂，并在千斤頂下設(shè)置力學(xué)傳感器以合理控制加載力大小。動(dòng)力測(cè)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(yàn)流程

這次試驗(yàn)在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，支撐采用實(shí)橋拆除的橡膠支座。試驗(yàn)研究共包括5種工況，分別模擬5個(gè)不同荷載水平(不同車載)作用下砼箱梁的動(dòng)力響應(yīng)特征。采用分級(jí)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，5種工況對(duì)應(yīng)5級(jí)荷載，分別為0、520、860、1 160、1 240 kN。加載到預(yù)定荷載后進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，并記錄相關(guān)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 測(cè)點(diǎn)振幅

表1為不同動(dòng)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(dòng)荷載下砼箱梁測(cè)點(diǎn)振型。由圖2可知：1) 砼箱梁的一階振型以箱梁中點(diǎn)線為軸線相互對(duì)稱，砼箱梁兩段與支座成約束點(diǎn)的振動(dòng)幅度基本為零，約束對(duì)箱梁的振動(dòng)有著很好的約束作用；隨著測(cè)點(diǎn)距離的推進(jìn)，動(dòng)荷載引起橋梁的振動(dòng)越發(fā)明顯，振幅在砼箱梁的中點(diǎn)部分達(dá)到最大。表明試驗(yàn)梁一階模態(tài)振型沿中點(diǎn)對(duì)稱，且在跨中區(qū)段開裂更嚴(yán)重，而在兩端產(chǎn)生的變形與裂紋較少。2) 動(dòng)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(diǎn)(測(cè)點(diǎn)3、7)處達(dá)到最大振幅。

圖2 動(dòng)荷載下砼箱梁實(shí)測(cè)振型

2.2 荷載對(duì)豎向頻率的影響

動(dòng)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(guān)系的函數(shù)擬合結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：1) 隨著荷載的增大，試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(shì)，豎向頻率與荷載

圖3 動(dòng)荷載下砼箱梁豎向頻率隨荷載的變化

之間成負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，線性函數(shù)擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)R2在0.95以上。3) 二階豎向頻率的平均值遠(yuǎn)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(dòng)荷載下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷對(duì)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(jié)構(gòu)的阻尼比很小，在不考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的前提下，簡(jiǎn)支梁前i階固有頻率的計(jì)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(dòng)剛度；m為單位長(zhǎng)度梁的質(zhì)量。

梁的動(dòng)剛度為：

(2)

式中：k為荷載級(jí)數(shù)，k=1,2,3,4,5。

動(dòng)剛度衰減系數(shù)計(jì)算方法如下：

(3)

不同水平動(dòng)荷載作用下砼箱梁的剛度衰減系數(shù)及動(dòng)剛度衰減系數(shù)與荷載之間關(guān)系的函數(shù)擬合結(jié)果見圖4。由圖4可知：1) 隨著荷載的增大，砼箱梁的動(dòng)剛度逐漸降低，動(dòng)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(dá)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(dòng)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(dòng)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(dòng)剛度衰減系數(shù)呈現(xiàn)減速降低的趨勢(shì)，動(dòng)剛度衰減系數(shù)與荷載之間成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，線性函數(shù)擬合效果較好，R2=0.999 1。

圖4 砼箱梁動(dòng)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(dòng)力試驗(yàn)后砼箱梁的裂縫擴(kuò)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(diǎn)部位，且主要為張拉破壞，與前述一階模態(tài)振型結(jié)果相對(duì)應(yīng)；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(diǎn)向兩端擴(kuò)散，裂紋方向也逐漸由豎直方向向傾斜方向過(guò)渡。綜上，砼箱梁的破壞特征能與試驗(yàn)結(jié)果很好地對(duì)應(yīng)起來(lái)，荷載越大，砼箱梁的損傷破壞程度越高，動(dòng)剛度越小。

圖5 不同工況下砼箱梁開裂特征

3 結(jié)論

(1) 隨著荷載水平的提高，砼箱梁的一、二階豎向振動(dòng)頻率降低，二者之間成負(fù)線性關(guān)系；動(dòng)荷載下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷對(duì)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(kuò)展，砼箱梁破壞程度不斷提高；砼箱梁的動(dòng)剛度不斷下降，動(dòng)剛度衰減系數(shù)也不斷降低，動(dòng)剛度衰減系數(shù)與荷載之間成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。