邱小紅

（漳州市公路事業(yè)發(fā)展中心直屬分中心，福建 漳州）

1 工程概況

某大橋于2013 年通車，主橋采用（38+3×60+38）m預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁，半幅橋?qū)?5 m。設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級（JTGD60-2004）。箱梁為單箱單室截面，箱梁根部梁高3.8 m，高跨比為1/15.79；跨中梁高2.0 m，高跨比為1/30，高度從距墩中心1.5 m 處到跨中合攏段按1.8 次拋物線變化。

本橋運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)第二跨跨中出現(xiàn)了較多的U 型、L 型、底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，裂縫最大寬度達(dá)0.18 mm，最大深度達(dá)22 cm，對結(jié)構(gòu)安全存在較大威脅。因此針對該橋采用“長束+局部短束”新增預(yù)應(yīng)力的方式對左幅第一聯(lián)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固，短束主要是提高第二跨底板壓應(yīng)力儲備，封閉裂縫，提高截面剛度；長束主要是改善整聯(lián)應(yīng)力狀況，提高整體抗彎承載能力和整體豎向剛度。結(jié)構(gòu)加固前、后分別進(jìn)行荷載試驗(yàn)，前、后兩次荷載試驗(yàn)荷載效率、測點(diǎn)布置盡量一致，以保證前、后兩次荷載試驗(yàn)結(jié)果以及加固效果比對的準(zhǔn)確性。

2 加固方案及荷載試驗(yàn)方法

2.1 加固方案

本次采用“長束+局部短束”新增預(yù)應(yīng)力的方式對左幅第一聯(lián)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固，使加固產(chǎn)生的壓應(yīng)力補(bǔ)償交工以來損失的預(yù)應(yīng)力[1]。

（1） 整聯(lián)長束：長束采用箱外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，箱外腹板外包25 cm 厚鋼筋，在張拉端處加厚50 cm，采用C50 無收縮自密實(shí)砼，每側(cè)腹板新增2 束15×φs15.2 體內(nèi)鋼束加固，共新增4 束體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 Mpa。

（2） 針對第二跨布置短束：對底板橫向開裂嚴(yán)重的第二跨新增短束，短束采用箱內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力，共采用7 束10×φs15.2 環(huán)氧涂覆無粘結(jié)成品索，張拉控制應(yīng)力為0.5fpk=930 MPa。

2.2 荷載試驗(yàn)方法

加固前后分別對左幅第一聯(lián)（38+3×60+38）m 存在病害的橋梁開展動靜載試驗(yàn)[2]：

（1） 對左幅橋梁上部結(jié)構(gòu)開展靜載試驗(yàn)，測試結(jié)構(gòu)在加載車輛作用下靜態(tài)應(yīng)變、撓度情況。

（2） 對左幅橋梁上部結(jié)構(gòu)開展動載試驗(yàn)，測試結(jié)構(gòu)自振特性及沖擊系數(shù)。

3 靜載試驗(yàn)比對

3.1 靜載試驗(yàn)方法

采用一次成橋法建立橋梁成橋狀態(tài)計(jì)算模型，進(jìn)行活載及影響線計(jì)算，然后在控制截面影響線上進(jìn)行試驗(yàn)加載，得出試驗(yàn)荷載作用下內(nèi)力及變形值。橋梁模型見圖1。

圖1 橋梁模型計(jì)算

靜載試驗(yàn)共計(jì)選取3 個(gè)控制截面K1～K3，設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)工況開展。由于本次加固主要是改善橋梁跨中承載能力，本研究主要針對K1～K3 測試截面進(jìn)行研究。測試截面及測試內(nèi)容具體見表1，截面位置見圖2。

表1 橋梁各工況測試內(nèi)容一覽表

表2 撓度試驗(yàn)結(jié)果比對一覽表

圖2 K1、K2、K3 截面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意

各截面的混凝土表面應(yīng)變采用混凝土應(yīng)變片進(jìn)行測量[3]，K1～K3 截面應(yīng)變測點(diǎn)見圖2。

各測試截面的撓度采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，撓度測點(diǎn)見圖3。

圖3 K1、K2、K3 撓度測點(diǎn)布置示意

靜力荷載效率以設(shè)計(jì)荷載(公路-I 級按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取值)產(chǎn)生的該試驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗(yàn)荷載，經(jīng)計(jì)算，第1～3 跨靜載試驗(yàn)荷載效率η 分別取0.98、0.97、0.99。實(shí)際試驗(yàn)采用6 輛重約38 t 以及2 輛重約40 t 的雙后軸車輛進(jìn)行等效加載[4]。矩截面，加固前后兩次荷載試驗(yàn)的邊跨撓度校驗(yàn)系數(shù)接近，說明邊跨加固前梁體剛度整體較好，預(yù)應(yīng)力加固前后剛度變化不明顯。

（2） K2 截面為次邊跨最大正彎矩截面，加固后相同加載情況下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)降低，且加固后滿足撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.0 之間的要求，說明第二跨結(jié)構(gòu)在長束+短束組合預(yù)應(yīng)力體系作用下，結(jié)構(gòu)剛度提高明顯。

（3） K3 截面撓度在長束作用下也降低較明顯，中載撓度校驗(yàn)系數(shù)由0.83 下降至0.76，偏載撓度校驗(yàn)系數(shù)由0.85 下降至0.78，預(yù)應(yīng)力長束對中跨結(jié)構(gòu)剛度有一定改善。

3.2.2 應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

加固前、后應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果比對見表3，應(yīng)變主要比對K1～K3 截面梁底4#～6#應(yīng)變測點(diǎn)，截面應(yīng)變實(shí)測值取4#～6#應(yīng)變測點(diǎn)均值。

表3 應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果比對一覽表

（1） K1 截面加固前并未開裂，加固前應(yīng)變值正常，加固后結(jié)果變化不大。

（2） K2、K3 截面加固后應(yīng)變值降低較為明顯，左幅第二跨應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)明顯下降，結(jié)構(gòu)承載能力和整體剛度有了明顯改善。K2 截面最不利工況下應(yīng)變實(shí)測值相比加固前減少50 με，經(jīng)計(jì)算增加跨中約

1.7 MPa 壓應(yīng)力儲備，基本達(dá)到了加固目標(biāo)及預(yù)期效果。

（3） K2 截面沿截面高度測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變與截面高度的擬合函數(shù)見圖4，加固后呈較好的線性關(guān)系[5]。加固前實(shí)測截面中性軸高度為1.95 m，加固后實(shí)測截面中

圖4 實(shí)測應(yīng)變與截面高度的擬合函數(shù)

3.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果比對

3.2.1 撓度試驗(yàn)結(jié)果

加固前、后撓度試驗(yàn)結(jié)果比對見表2，彈性撓度實(shí)測值取每個(gè)測試截面3 個(gè)撓度測點(diǎn)均值。

（1） K1 截面為邊跨最大正彎性軸高度為1.72 m，加固后截面中性軸高度已大為降低，說明加固后原開裂最為嚴(yán)重的第二跨跨中附近截面受力狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)，恢復(fù)彈性工作狀態(tài)。

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，靜載試驗(yàn)結(jié)果表明該橋加固后，對剛度下降較多的第二跨有較好的改善效果，增加約1.7 MPa壓應(yīng)力儲備，第二跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

4 動載試驗(yàn)比對

4.1 動載試驗(yàn)方法

本次動載試驗(yàn)主要通過在橋梁上適當(dāng)位置布置拾振器，用動態(tài)測試系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)作用下的振動信號和行車試驗(yàn)的激勵(lì)信號進(jìn)行采集，據(jù)此對結(jié)構(gòu)加固前、后的動荷載響應(yīng)進(jìn)行分析和評價(jià)[6]。

4.1.1 自振頻率

橋梁自振特性試驗(yàn)采用環(huán)境激振法。數(shù)據(jù)采集采用INV3062C 動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，DH610V 拾振器，以及必要的連接線。

4.1.2 阻尼比

橋梁結(jié)構(gòu)阻尼檢測方法采用行車激振法，利用一部車輛以一定速度駛離橋面后引起的橋梁結(jié)構(gòu)余振信號，通過波形分析法來得到結(jié)構(gòu)的阻尼比。

4.1.3 沖擊系數(shù)和動撓度

沖擊系數(shù)和動撓度通過無障礙行車試驗(yàn)完成。試驗(yàn)車輛在橋上以一定速度行駛，對橋梁施以動力荷載，測量橋梁特征位置的振幅、動應(yīng)力和沖擊系數(shù)等，對測得的橋梁動力響應(yīng)值進(jìn)行分析，獲得橋梁的動力響應(yīng)特性。試驗(yàn)時(shí)采用1 輛同靜載試驗(yàn)相同的試驗(yàn)加載車輛勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，共分為10 km/h、20 km/h、30 km/h 三個(gè)工況進(jìn)行測試。

4.2 動載試驗(yàn)結(jié)果比對

4.2.1 自振頻率和阻尼比

本次動載試驗(yàn)加固前、后1～3 階自振頻率及阻尼比結(jié)果對比見表4。

表4 上部結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)

從數(shù)據(jù)對比分析，加固后結(jié)構(gòu)自振頻率比加固前實(shí)測值有了明顯提高，阻尼系數(shù)有一定增加，與原設(shè)計(jì)值自振頻率相比也略有提高。說明經(jīng)加固后目前橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度有了明顯提高。

4.2.2 沖擊系數(shù)和動撓度

無障礙行車試驗(yàn)的測試截面一般選擇在活載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大的位置，根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖特點(diǎn)，車輛激勵(lì)試驗(yàn)觀測斷面布置在K2 截面，本次無障礙行車試驗(yàn)加固前、后沖擊系數(shù)和動撓度結(jié)果對比見表5。

表5 跨中截面沖擊系數(shù)和動撓度

4.3 動載試驗(yàn)結(jié)論

（1） 自振特性試驗(yàn)表明，該橋加固后實(shí)測前3 階豎向自振頻率相比于加固前明顯提高，且均大于理論計(jì)算頻率。加固后實(shí)測振型和理論振型一致，試驗(yàn)橋跨上部結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。阻尼比最大為2.057%。

（2） 無障礙行車試驗(yàn)表明加固后實(shí)測沖擊系數(shù)低于加固前。

5 結(jié)論

（1） 加固后T 構(gòu)的靜載試驗(yàn)撓度和應(yīng)變測試相比于加固前均有所改善，校驗(yàn)系數(shù)小于1，同時(shí)殘余值變小，結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下，基本處于彈性階段；結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力有較大提高，達(dá)到了加固設(shè)計(jì)目標(biāo)及預(yù)期效果。

（2） 加固后T 構(gòu)的動載試驗(yàn)結(jié)果較好，加固前實(shí)測主頻小于理論計(jì)算主頻，加固后實(shí)測主頻1.699 Hz大于理論計(jì)算主頻1.647 Hz，結(jié)構(gòu)在動載下的剛度也明顯提高；加固后結(jié)構(gòu)的阻尼比增大，整體性較好。在無障礙行車試驗(yàn)作用下，不同速度行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊系數(shù)結(jié)果均小于計(jì)算值，說明結(jié)構(gòu)行車性能較好。

（3） 預(yù)應(yīng)力加固為主動加固法，采用組合預(yù)應(yīng)力體系對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，長束可有效提高結(jié)構(gòu)整體抗彎能力，達(dá)到提高橋梁承載能力的目的，配合短束能對局部剛度下降嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)起到較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲備。