基于对比荷载试验的连续箱梁组合预应力加固效果研究.pdf

科学技术创新 2023.25基于对比荷载试验的连续箱梁组合预应力加固效果研究邱小红（漳州市公路事业发展中心直属分中心，福建 漳州）1工程概况某大桥于 2013 年通车，主桥采用（38+3伊60+38）m预应力砼变截面连续箱梁，半幅桥宽 15 m。设计荷载为公路-I 级（JTGD60-2004）。箱梁为单箱单室截面，箱梁根部梁高 3.8 m，高跨比为 1/15.79；跨中梁高 2.0m，高跨比为 1/30，高度从距墩中心 1.5 m 处到跨中合拢段按 1.8 次抛物线变化。本桥运营过程中发现第二跨跨中出现了较多的U 型、L 型、底板横向裂缝和腹板竖向裂缝，裂缝最大宽度达 0.18 mm，最大深度达 22 cm，对结构安全存在较大威胁。因此针对该桥采用“长束+局部短束”新增预应力的方式对左幅第一联进行预应力加固，短束主要是提高第二跨底板压应力储备，封闭裂缝，提高截面刚度；长束主要是改善整联应力状况，提高整体抗弯承载能力和整体竖向刚度。结构加固前、后分别进行荷载试验，前、后两次荷载试验荷载效率、测点布置尽量一致，以保证前、后两次荷载试验结果以及加固效果比对的准确性。2加固方案及荷载试验方法2.1加固方案本次采用“长束+局部短束”新增预应力的方式对左幅第一联进行预应力加固，使加固产生的压应力补偿交工以来损失的预应力1。（1）整联长束：长束采用箱外体内预应力，箱外腹板外包 25 cm 厚钢筋，在张拉端处加厚 50 cm，采用 C50 无收缩自密实砼，每侧腹板新增 2 束 15伊渍s15.2 体内钢束加固，共新增 4 束体内预应力，张拉控制应力为 0.75fpk=1 395 Mpa。（2）针对第二跨布置短束：对底板横向开裂严重的第二跨新增短束，短束采用箱内体外预应力，共采用 7 束 10伊渍s15.2 环氧涂覆无粘结成品索，张拉控制应力为 0.5fpk=930 MPa。2.2荷载试验方法加固前后分别对左幅第一联（38+3伊60+38）m 存在病害的桥梁开展动静载试验2：（1）对左幅桥梁上部结构开展静载试验，测试结构在加载车辆作用下静态应变、挠度情况。（2）对左幅桥梁上部结构开展动载试验，测试结构自振特性及冲击系数。3静载试验比对3.1静载试验方法采用一次成桥法建立桥梁成桥状态计算模型，进行活载及影响线计算，然后在控制截面影响线上进行试验加载，得出试验荷载作用下内力及变形值。桥梁模型见图 1。摘要：某（38+3伊60+38）m 预应力砼变截面连续箱梁通过箱外腹板外包新增预应力长束+箱内局部新增体内预应力短束进行加固。为研究该组合预应力体系加固前后桥梁结构工作性能，在加固前后分别对桥梁进行荷载试验，并对试验结果进行对比分析。结果表明，开裂截面加固后最不利工况下增加跨中约 1.7 MPa 压应力储备，基本达到了加固目标及预期效果。关键词：桥梁加固；组合预应力；荷载试验中图分类号院U445.7+2;U446.1文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤25-0136-04作者简介院邱小红（1985-），女，本科，中级工程师，研究方向：路桥。136-2023.25 科学技术创新图 1桥梁模型计算静载试验共计选取 3 个控制截面 K1K3，设置 6个试验工况开展。由于本次加固主要是改善桥梁跨中承载能力，本研究主要针对 K1K3 测试截面进行研究。测试截面及测试内容具体见表 1，截面位置见图 2。各截面的混凝土表面应变采用混凝土应变片进行测量3，K1K3 截面应变测点见图 2。图 2K1、K2、K3 截面应变测点布置示意各测试截面的挠度采用水准仪进行测量，挠度测点见图 3。图 3K1、K2、K3 挠度测点布置示意静力荷载效率以设计荷载(公路-I 级按 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）取值)产生的该试验项目的最不利效应值等效换算，确定所需的试验荷载，经计算，第 13 跨静载试验荷载效率 浊 分别取 0.98、0.97、0.99。实际试验采用 6 辆重约38 t 以及 2 辆重约 40 t 的双后轴车辆进行等效加载4。3.2静载试验结果比对3.2.1挠度试验结果加固前、后挠度试验结果比对见表 2，弹性挠度实测值取每个测试截面 3 个挠度测点均值。（1）K1 截面为边跨最大正弯矩截面，加固前后两次荷载试验的边跨挠度校验系数接近，说明边跨加固前梁体刚度整体较好，预应力加固前后刚度变化不明显。（2）K2 截面为次边跨最大正弯矩截面，加固后相同加载情况下挠度校验系数降低，且加固后满足挠度校验系数在 0.61.0 之间的要求，说明第二跨结构在长束+短束组合预应力体系作用下，结构刚度提高明显。（3）K3 截面挠度在长束作用下也降低较明显，中载挠度校验系数由 0.83 下降至 0.76，偏载挠度校验系数由 0.85 下降至 0.78，预应力长束对中跨结构刚度有一定改善。3.2.2应变试验结果加固前、后应变试验结果比对见表 3，应变主要比对 K1K3 截面梁底 4#6#应变测点，截面应变实测值取 4#6#应变测点均值。（1）K1 截面加固前并未开裂，加固前应变值正常，加固后结果变化不大。（2）K2、K3 截面加固后应变值降低较为明显，左幅第二跨应变和挠度校验系数明显下降，结构承载能力和整体刚度有了明显改善。K2 截面最不利工况下应变实测值相比加固前减少 50 滋着，经计算增加跨中约1.7 MPa 压应力储备，基本达到了加固目标及预期效果。（3）K2 截面沿截面高度测点实测应变与截面高度的拟合函数见图 4，加固后呈较好的线性关系5。加固前实测截面中性轴高度为 1.95 m，加固后实测截面中工况 加载项目 截面编号 测试截面 测试主要内容 工况 1/2 中载/偏载 K1 第一跨最大正弯矩截面 工况 3/4 中载/偏载 K2 第二跨最大正弯矩截面 工况 5/6 中载/偏载 K3 第三跨最大正弯矩截面 结构应变；结构挠度。加固前 加固后 测试 截面 加载 工况 理论值（mm）弹性挠度（mm）校验系数 理论值（mm）弹性挠度（mm）校验系数 工况 1（中载）6.78 5.32 0.78 6.5 5.04 0.78 K1 截面 工况 2（右偏）6.78 5.17 0.76 6.5 4.99 0.77 工况 3（中载）16.17 17.47 1.08 14.86 13.20 0.89 K2 截面 工况 4（右偏）16.17 17.71 1.10 14.86 12.94 0.87 工况 5（中载）17.46 14.43 0.83 16.3 12.44 0.76 K3 截面 工况 6（右偏）17.46 14.82 0.85 16.3 12.70 0.78 备注 1.挠度向下为正；2.校验系数=实测/理论；3.表中数值已消除支座变形的影响。表 1桥梁各工况测试内容一览表表 2挠度试验结果比对一览表137-科学技术创新 2023.25性轴高度为 1.72 m，加固后截面中性轴高度已大为降低，说明加固后原开裂最为严重的第二跨跨中附近截面受力状态明显好转，恢复弹性工作状态。图 4实测应变与截面高度的拟合函数3.3静载试验结论综上所述，静载试验结果表明该桥加固后，对刚度下降较多的第二跨有较好的改善效果，增加约 1.7 MPa压应力储备，第二跨结构处于弹性工作状态。4动载试验比对4.1动载试验方法本次动载试验主要通过在桥梁上适当位置布置拾振器，用动态测试系统对结构在环境激励作用下的振动信号和行车试验的激励信号进行采集，据此对结构加固前、后的动荷载响应进行分析和评价6。4.1.1自振频率桥梁自振特性试验采用环境 激 振 法。数 据 采 集 采 用INV3062C 动 态 数 据 采 集 仪，DH610V 拾振器，以及必要的连接线。4.1.2阻尼比桥梁结构阻尼检测方法采用行车激振法，利用一部车辆以一定速度驶离桥面后引起的桥梁结构余振信号，通过波形分析法来得到结构的阻尼比。4.1.3冲击系数和动挠度冲击系数和动挠度通过无障碍行车试验完成。试验车辆在桥上以一定速度行驶，对桥梁施以动力荷载，测量桥梁特征位置的振幅、动应力和冲击系数等，对测得的桥梁动力响应值进行分析，获得桥梁的动力响应特性。试验时采用 1 辆同静载试验相同的试验加载车辆匀速通过桥跨结构，共分为 10 km/h、20 km/h、30 km/h 三个工况进行测试。4.2动载试验结果比对4.2.1自振频率和阻尼比本次动载试验加固前、后 13 阶自振频率及阻尼比结果对比见表 4。从数据对比分析，加固后结构自振频率比加固前实测值有了明显提高，阻尼系数有一定增加，与原设计值自振频率相比也略有提高。说明经加固后目前桥梁结构的整体刚度有了明显提高。4.2.2冲击系数和动挠度无障碍行车试验的测试截面一般选择在活载作用下结构应变最大的位置，根据本桥结构的弯矩包络图特点，车辆激励试验观测断面布置在 K2 截面，本次无障碍行车试验加固前、后冲击系数和动挠度结果对比见表 5。加固前 加固后 测试 截面 加载工况 理论值（）弹性应变（）校验系数 理论值（）弹性应变 （）校验系数 工况 1（中载）82 63 0.77 70 57 0.81 K1 截面 工况 2（右偏）82 65 0.79 70 56 0.80 工况 3（中载）116 121 1.04 102 71 0.70 K2 截面 工况 4（右偏）116 110 0.95 102 79 0.77 工况 5（中载）124 109 0.88 108 83 0.77 K3 截面 工况 6（右偏）124 107 0.86 108 84 0.78 表 3应变试验结果比对一览表加固前 加固后 阶次（竖向）振型 设计自振频率（Hz）频率实测值（Hz）阻尼比 频率实测值（Hz）阻尼比 1 正对称 1.647 1.628 1.325%1.699 2.057%2 反对称 2.353 2.292/2.373/3 正对称 3.266 3.218/3.340/表 4上部结构自振特性参数表 5跨中截面冲击系数和动挠度加固前 加固后 车速(km/h)最大动挠度（mm）修正后冲击系数1+最大动挠度（mm）修正后冲击系数1+10 km/h 1.542 1.075 1.404 1.040 20 km/h 0.824 1.061 0.710 1.027 30 km/h 1.237 1.024 1.037 1.019 备注1.应变以受拉为正；2.校验系数 浊=实测/理论。138-2023.25 科学技术创新4.3动载试验结论（1）自振特性试验表明，该桥加固后实测前 3 阶竖向自振频率相比于加固前明显提高，且均大于理论计算频率。加固后实测振型和理论振型一致，试验桥跨上部结构实际刚度大于理论刚度。阻尼比最大为2.057%。（2）无障碍行车试验表明加固后实测冲击系数低于加固前。5结论（1）加固后 T 构的静载试验挠度和应变测试相比于加固前均有所改善，校验系数小于 1，同时残余值变小，结构在试验荷载作用下，基本处于弹性阶段；结构的刚度和承载能力有较大提高，达到了加固设计目标及预期效果。（2）加固后 T 构的动载试验结果较好，加固前实测主频小于理论计算主频，加固后实测主频 1.699 Hz大于理论计算主频 1.647 Hz，结构在动载下的刚度也明显提高；加固后结构的阻尼比增大，整体性较好。在无障碍行车试验作用下，不同速度行驶时产生的冲击系数结果均小于计算值，说明结构行车性能较好。（3）预应力加固为主动加固法，采用组合预应力体系对结构进行加固，长束可有效提高结构整体抗弯能力，达到提高桥梁承载能力的目的，配合短束能对局部刚度下降严重的结构起到较好的补强效果，增加结构的应力储备。参考文献1中华人民共和国交通运输部.JTG/T J22-2008 公路桥梁加固设计规范S.北京:人民交通出版社,2018.2中华人民共和国交通运输部.JTG/T J21-01-2015 公路桥梁荷载试验规程S.北京:人民交通出版社,2018.3王吉文,杜晓明,袁振圣.交变荷载作用下 CFRP 布加固 RC 梁耐久性能试验研究J.混凝土与水泥制品,2021(10):57-61.4陈照全,陈卫全.T 型刚构桥加固及荷载试验研究J.城市道桥与防洪,2015(7):225-229,21.5周凯,张婷.某 T 型刚构桥加固后静动载试验研究J.四川建筑,2011(2):129-130,133.6付少辉.高墩大跨径连续刚构桥梁荷载试验研究J.交通世界,2020(36):17-18.Research on the Effect of Box GirderComposite Prestressed Reinforcement Basedon Comparative Load TestQiu Xiaohong（Zhangzhou Highway Development Center Directly Affiliated Sub Center,Zhangzhou,China）Abstract:One（38+3伊60+38）m variable cross-section continuous box girder is reinforced by thickeningthe web plate outside of the box grider and adding long prestressed strands.At the same time,locally addedinternal prestressed short strands inside the box grider.To study the working performance of the bridgestructure before and after the reinforcement of the composite prestressed system，conduct the load tests on thebridge before and after reinforcement,compare and analyze the test results.The results showed that thereinforcement increased the mid span cracked section about 1.7 MPa compressive stress reserve under themost unfavorable working conditions,basically achieving the reinforcement goal and expected effect.Key words:bridge reinforcement;composite prestress;load test139-