预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析.pdf

第 6卷第 4期 2 0 0 9年 8月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L WAY S CI ENCE AND E NGl NEE RI NG V o 1 6 Au g NO 4 2 0 o 9 预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析 湛发益 。 贺国京 ， 陈爱军， 易锦 ( 中南林业科技 大学 土木工程与力学学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要： 以1 座实际预应力混凝土连续箱梁桥为背景， 应用 MI D A S C I V I L 2 0 0 6软件， 采用空间有限元模型分析其最不利弯 矩、 应力、 变位和 自 振频率， 并与该桥静动栽试验测试结果进行比较分析。研究结果表明： 主要测点的应变与挠度实澳 I 值均 小于理论计算值， 相对残余应变与挠度在控制值以内， 实测自振频率高于计算频率而实测冲击系数小于计算值。该成果可 为此类桥 梁长期跟踪监控提供依据 ， 也为完善预 应力混凝土连续箱梁桥设计积 累资料 。 关键词 ： 连续梁桥 ； 静 动力分析 ； 试验 ； 评 定 中图分类号： U 4 4 6 1 ； U 4 4 8 2 1 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 1 7 0 5 E x p e r i me n t a n d a n a l y s i s o f s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s g i r d e r b r i d g e Z H A N F a y i ， H E G u o j i n g ， C H E N A i - j u n ， Y I J i n ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ，C e n t r a l S o u t h S c i T e c h U n i v e r s i t y o f F o r e s t r y，C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n a p r a c t i c a l e n g i n e e rin g，a p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b o x g i r d e r b ridg e wa s a n a l y z e d u n d e r t h e s p a c e fin i t e e l e me n t mo d e l wi t h a s o f t wa r e MI DAS CI VI L 2 00 6 o n i t s ma x i mu m mo me n t s t r e s s ，d e fle c t i o n a n d n a t u r a l f r e q u e n c y T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s we r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d w i t h t h e me a s u r e d v a l u e s f r o m t h e b rid g e S e x p e rime n t u n d e r s t a t i c a n d d y n a mi c l o a d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e me a s u r e d v a l u e s o f s t r a i n a n d d e f l e c t i o n o f ma i n me a s u ri n g p o i n t s a r e l e s s t h a n c a l c u l a t i o n r e s u l t s a n d r e l a t i v e r e s i d u a ls t r a i n a n d d e fl e c t i o n a r e u n d e r c o n t r o l v a l u e s Th e me a s u r e d v a l u e s o f n a t u r a l f r e q u e n c y a r e g r e a t e r t h a n t he c a l c ul a t i o n o n e s a n d t h e me a s u r e d v a l u e s o f i mp a c t c o e 侬c i e n t are l e s s t h a n t h e c a l c ul a t i o n i mp a c t c o e c i e n t Th e a c h i e v e me n t c a n p r o v i d e s c i e n t i fic b a s i s f o r l o n g t e r m t r a c i n g a n d mo ni t o rin g a n d a c c u mu l a t e d a t a for p e r f e c t i n g d e s i g n o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b o x g i r d e r b rid g e Ke y wo r d s： c o n t i n u o u s b e a m b rid g e； s t a t i c a n d d y n a mi c a n aly s i s； e x p e rime n t ； e v a l u a t i o n 我国从 2 0世纪 7 O年代修建北京复兴门立交 桥( 1 9 7 3年) 起 ， 预应力混凝土连续梁箱梁桥开始 迅速发展和广泛应用。预应力混凝土连续 梁桥由 于其具有结构受力性能好， 变形小， 伸缩缝少 ， 行车 平顺舒适， 造型简洁美观， 养护工程量小等优点而 成为最富有竞争力的主要桥型之一 。目前 ， 我国已 建和在建的很大一部分桥梁为预应力混凝土连续 箱梁桥。本文以 1 座新建桥梁林科大桥为工程背 景， 对其进行静动力特性分析和试验， 以检验该桥 施工质量及可靠性， 为竣工验收、 今后的 日常养护 和维修工作以及长期跟踪监控提供科学依据， 并为 完善预应力混凝土连续箱梁桥设计积累资料 。 1 桥梁概况 林科大桥为连接中南林业科技大学东西两大 校区的跨线新建桥梁 ， 桥梁全长 2 1 3 0 8 m， 9孔 2 联等截面连续梁结构 ， 跨径组成由西到东为 ( 2 X 2 3+ 2 7+2 X 2 3 ) m+( 4 X 2 3 ) m， 桥面宽 1 5 m。上 部结构为 C 5 0单箱 四室现浇预应力混凝土箱梁 ， 桥中心线箱梁高 1 7 0 m， 支座处设 2 2 m宽横隔 收稿 日期 ： 2 0 0 9一 O 3一 O l 基金项 目： 湖南省教育厅科学研究项 目 ( 0 8 C 9 3 9 ) ； 中南林业科技大学青年科学研究基金重点项 目 ( 0 6 0 0 8 A) 作者简介 ： 湛发益( 1 9 7 3一) ， 女 ， 湖南汨罗人 ， 硕士， 讲师 ， 从事桥梁结构空问分析与研究 1 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 8月 梁。五联跨支座处 箱梁顶板厚 4 0 c m， 底板厚 4 O c m， 腹板宽 7 0 C I I 1 ； 跨 中段箱梁顶板厚 2 0 c m， 底板 厚 2 0 c m， 腹板宽 4 2 c m， 由横隔梁边缘至跨中 6 4 n l 段形成过渡。下部结构采用 C 3 0钢筋混凝土双 柱式圆柱墩 ， 4号桥墩 直径 为 1 7 0 c m， 其余 均 为 1 5 0 c m； 桥墩基础为直径 1 8 0 c m的 C 2 5钢筋混凝 土人工挖孑 L 灌注桩 ， 桩底扩孔至 2 5 0 c m； 桥 台基础 为直径 1 5 0 c m 的 C 2 5钢筋混凝土人工挖孔灌 注 桩。荷载等级为汽车 一 2 O， 挂车 一1 0 0 。采用满堂 支架施工。林科 大桥总体布置如 图 1 。本文仅就 五联跨进行分析与试验。 ( a )一 立 面图； ( b )一 平 面图 图 1 林科 大桥 总体布置 图 Fi g 1 Ge n e r a l l a y o ut o f Li n ke d a Bridg e 2 静动力特性试验分析 2 1 有限元分析 采 用 桥 梁 结 构 专 用 计 算 软 件 MI D A S C I V I L 2 0 0 6对该桥五跨联进行静动力分析 ， 求得主要 控制截面在设计荷载作用下最不利弯矩值及 应力 见表 1 ， 控制截面弯矩影响线见图 2 ， 前 2阶计算频 率和振型见图 3 。 表 1 主要控制截面最不利弯矩及应力 Ta b l e 1 Ma xi mum mo me nt a n d s t r e s s o f ma i n c o n t r o l s e c t i o n 2 2 静力试验 2 2 1 试验项 目和测试截面 ( 1 ) 主梁控制截 面在试验荷载下 的应变 。根 据静力分析所得弯矩包络图 ， 结合桥梁结构的对称 性 ， 选择主跨 、 次边跨、 边跨作为测试孔 ， 共 5个应 变测试截面， 包括主跨 、 次边跨 、 边跨 3个跨 中截面 和主跨支点 ( 6号墩) 、 次边跨支点( 5号墩 ) 2个墩 顶截面。 ( 2 ) 主梁控制截面在试验荷 载下的挠度。根 据挠度包络 图， 测试截面取 为测试孔 1 4 L 、 跨 中、 3 4 L和墩顶位置及相邻孔的跨 中截面。 2 2 2测 试方 法与测 点布 置 应变测试采用预埋纵向振弦式应变计 ， 测点布 置如图 4所示。跨 中截面应变计埋在箱梁腹板处 对应的底板内侧 ； 墩顶截面应变计埋在箱梁腹板处 对应的顶板内侧。 ( a ) f b1 旷一 一 f r1 ( ) ( a )一边跨跨中截 面； ( b )一次边跨跨 中截面 ； ( c )一主跨支点截面； ( d )一主跨跨 中截面 图 2弯矩影响线 Fi g 2 I n flu e nc e l i n e o f mo me nt s ( a )一第 1阶( = 5 6 6 3 H z ) ； ( b )一第 2阶( ： 6 8 8 5 n z ) 图 3 计算频率及振型示意 图 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a ms of c a l c u l a t e d f r e q u e n c i e s a n d v i b r a t i o n mo d e s 挠度测试采用精密数字式水准仪 ， 横向测点布 设于桥面两侧人行道如图4所示 ， 各工况( 表 2 ) 纵 向测点布置如图 5所示。 支座截面应 变测点 ； 跨 中截面应变测点； 挠度测点 图 4截面测点布置 Fi g 4 P o s i t i o n o f me a s u rin g p o i n t s f o r t e s t i n g s e c t i o n l 况5 7 l 6 I 5 1 4 I 3 I 2 l I I 上况4 1 11 1 0 1 9 1 8 1 7 1 工况3 7 1 倒 搿 - o 一 图 5各 工况纵 向挠度测点布置 Fi g 5 P o s i t i o n of l o n g i t u d i n al d e fl e c t i o n me a s u r i n g p o i n t s u n d e r e v e r y c o n d i t i o n 2 2 3 试验荷载及布置 采用 4台试验加载车， 每辆车的前后轴重力略 有差异 ， 但相差不大， 总重力约 3 0 0 k N， 前轴重 6 0 k N， 后轴重力 2 4 0 k N。共分 5种试验荷载工况 ( 表 2 ) ， 其中主跨支点最大负弯矩测试工况试验荷载 布置如图 6所示。 2 2 I l 3 3 44 _-I 2 2 55 _-_ 3 3 6 4 4 76 5 5 8 _- 6 6 9 第4期 湛发益， 等： 预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析 1 9 亘型垒 盟 人行道 I 8 ：跷缢石 ： 固 烹 一匿一一一 一 爿 口 l I r 一 人行道 ： 量 ： 薪： I 1 0 0 0 I 9 0 0 I 图 6试验荷载布置 Fi g 6 Te s t l o a d a r r a ng e me nt 考虑到本桥属新建桥梁 ， 试验荷载效率宜取 高值 ( 表 2 ) ， 在 0 91 0之间为宜 ， 这样既可全面反映 桥梁结构在设计荷载作用下的承载情况 ， 又可保证 结构的安全性 。 表 2 各工况试验荷栽效率 Ta b l e 2 E x p e r i me n t a l l o a d e f f i c i e n c y u n d e r e v e r y c o n d i t i o n 2 2 4试 验 结 果 ( 1 ) 应变测试结果。表 3给出了工况 1 ， 4和 5 下各应变测点的应变实测值、 理论计算值 、 校验系 数及相对残余应变。图 7给出了工况 2和 3下各 应变测点的应力实测值 、 理论计算值及残余应力 比 较结果。 0 6 ( a ) 0 5 3 0 4 人 ， ， 釜 0 3 0 1 = = = 二= = = != = = 二 = = = ： = = 。 07 0 6 05 三0 4 03 ： 0 2 0 1 0 测点编 号 ( a )一工况 2 ； ( b )一工况 3 1 一加载测试值 ； 2一卸载残余 ； 3一计算值 图 7 应力测试结果与计 算结果比较 Fi g 7 Co mp a r i s o n o f s t r e s s b e t we e n me a s u r e d v a l u e s a nd c a l c u l a t i o n r e s u l t s 表 3 应变测试结果与计算结果比较 Ta b l e 3 Me a s u r e d v a l u e s o f s t r a i n c o mp a r e d w i t h e a l c u l a t i o n r e s ul t s ( 2 ) 挠度量测结果。表 4给出了工况 1和5下 各挠度测点的应变实测值 、 理论计算值 、 校验系数 及相对残余应变。图 8给出了工况 2 ， 3和 4下各 挠度测点的挠度实测值 、 理论计算值及残余变形比 较结果。 2 3 动 力试验 桥梁结构的动力试验是利用某种激振方法激 起桥梁结构的振动 ， 测定桥梁结构的固有频率 、 阻 尼 比、 振型、 动力 冲击 系数 、 动力响应 ( 加速度 、 动 挠度 ) 等参量 ， 从而宏观判断桥梁结构 的整体 刚 度 、 运营性能。桥梁结构的动力试验与静力试验虽 然在实验 目的、 测试内容等方面有所不同， 但对于 全面分析掌握桥梁结构的工作性能是同等重要的。 本桥的动力试验 目的在于测定主梁 自振频率 及汽车荷载的冲击系数。根据主桥振型图， 加速度 传感器布置在各跨跨中截面处 ， 动应变测试布置在 中跨跨中截面底板， 共计 l 0个测点。采用江苏靖 江东华仪器厂生产的 D H 5 9 3 5 N动应变仪及测量系 统和相应的数据采集系统。 2 3 1 试验 内容与荷载 采用 1 辆 3 0 0 k N载重汽 车作为动力试验荷 载。 ( 1 ) 脉动试验。利用 由于外界各种因素所引 起的结构微小而不规则的振动来测定结构 的动力 特性 。 ( 2 ) 跑车试验。试验 车分别以 1 0 ， 2 0， 3 O ， 4 0， 5 0 k m h这 5种不同车速沿桥中心线匀速行驶过 2 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 8月 桥 ， 测量动应变以确定冲击系数。 表 4 挠度测试结果与计 算结果比较 Ta b l e 4 Me a s u r e d v a l u e s o f d e fl e c t i o n c o mp a r e d wi t h c a l c u l a t i o n r e s u l t s 。 测 距 4 O 离 ，m 。 ， 1 0 测 2 0 点距4 的 3 0 4 0 i 6 0 一 -04 g 0 0 4 0 8 1 2 J 测点距4 号墩 的距离 m ， 。 ； 一 一 南侧 测 试 值一 南侧 卸 载残 余 北侧 测 试 值 一 北侧卸载残余 一 计算值 ( a )一工况 2； ( b )一工况 3 ； ( c )一工况 4 图8 挠度测试结果与计算结果比较图 F i g 8 C o mp a r i s o n o f d e ft e c t i o n b e t we e n me a s u r e d v a l u e s a n d c alc u l a t i o n r e s u l t s ( 3 ) 跳车试验 。试验 车行驶 至中跨跨 中附近 布置的三角块( 三角块 长 宽 高 =1 0 m 0 6 m 0 1 5 m) 上 ， 然后 ， 后轮落下 ， 以便对桥梁产生 1 个 冲击力 ， 激起桥梁的竖 向振动以确定 自振频率。 ( 4 ) 刹车试验。试验 车以 3 0 k m h匀速行驶 至中跨跨中附近紧急刹车， 测定结构在冲击荷载作 用下的动力响应以确定 自振频率。 2 3 2试验 结果 动力试验 中跨跨 中跳车采样时程响应及频域 分析图见图 9 ， 自振频率实测值 与计算值 比较见表 5 ， 在不同行车速度下的冲击系数实测值见表 6 。 f a ) 栅 一 7 6 8 8l 3 8 5 f 3 9 4 8 9 9 -3 ( h) J 一 0 ， l r ，Hz ( a )一加速度时程响应 ； ( b )一时域信号频域分析 图 9时程响应及 频域 分析 图 Fi g 9 Di a g r a ms o f t i me h i s t o r y r e s p on s e a n de q u e n c y d o ma i n a na l y s i s 表 5 自振频 率计算值 与实测值 Ta b l e 5 C a l c u l a t i o n r e s u l t s a n d me a s u r e d v a l u e s o f n a t u r a l f r e q u e ne y 表 6冲击 系数测 定值 Ta b l e 6 Me a s u r e d v a l u e s o f i mp a c t c o e f fi c i e n t 3 分析与结论 ( 1 ) 各工况各测点应变测试校验系数为 0 6 4 0 8 0， 平 均 值 为 0 7 6 ； 挠 度 测试 校验 系数 为 0 6 3 6 0 8 1 5 ， 平均值 为 0 7 3 6 。由此 可见 ， 校验 0 0 0 0 0 0 O 0 O 0 I IJ g L u l lJ 第 4期 湛发益， 等 ： 预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析 2 l 系数均小于 1 0 ， 即主要测点的应变与挠度实测值 均小于理论计算值， 说 明桥梁结构是安全的， 实际 刚度较大 ， 具有一定的安全储备。 ( 2 ) 相对残余应变与挠度是表示桥梁弹性恢 复能力的指标。该桥的相对残余应变为 0 0 1 8 ， 平均值为0 0 9 ； 相对残余挠度为0 0 1 9 0 ， 平均值 为0 1 2 5 ， 均远小于控制值 2 0 。这说明该桥设计 荷载作用下具有 良好的弹性恢复能力， 处于良好的 弹性工作状况。 ( 3 ) 本桥的实测 自振频率均高于计算值 ， 说明 该桥上部结构的动刚度大于设计值 ， 在正常工作状 态下的动力性能 良好。冲击系数最大值 为对应于 行车速度 5 0 k m h时的 1 2 8 3 ， 小于按基频 5 6 6 3 H z 得到的规范计算值 1 2 8 9 ， 说 明该桥行 车性 能 好， 有较好的桥面平整度。 参考文献： 1 宋一凡公路桥梁荷载试验与结构评定 M 北京： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 2 SONG Yi f a n L o a d e x p e rime n t a n d s t r u c t ur e e v a l ua t i o n f o r h i g h w a y b ri d g e s a n d c u l v e r t s M B e i j i n g ： P e o p l e S Tr a f fic Pr e s s ， 2 00 2 2 张俊平 桥涵检测 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 2 Z H A N G J u n - p i n g B ri d g e a n d c u l v e rt d e t e c t i o n M B e i j i n g ： P e o p l e s T r a f fi c P r e s s 2 0 0 2 3 陈淮， 朱倩， 葛素娟， 等 韩江北桥主桥动力特性研 究 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 ( 5 ) ： 2 8 3 1 C H E N H u a i ， Z H U Q i an ， G E S u - j u a n ， e t a1 D y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s a n a l y s i s o f H a n j i a n g N o rt h e n B ri d g e J J o u r n al o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 2 ( 5 ) ： 2 831 4 欧阳政伟， 余志武， 蒋丽忠， 等异型钢 一预应力混凝 土叠合板组合箱梁桥成桥试验 J 长沙铁道学院学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 05 5 OU YANG Z h e n g we i YU Z h i W U J I AN G L i z h o n g， e t a 1 Th e c o mp l e t i o n e x p e rime nt f o r a s p e c i al 。s h a p e p r e s 。 t r e s s e d s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x b e a m wi t h l a mi n a t e d c o n c r e t e b o a r d J J o u rna l o f C h a n g s h a R a i l w a y U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 0 5 5 5 章关永桥梁结构试验 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 2 Z H A N G G u a n y o n g E x p e ri me n t o f b ri d g e s t r u c t u r e M B e i j i n g ： P e o p l e S T r a f fi c P r e s s ， 2 0 0 2 6 王建华， 孙胜江 桥涵工程试验检测技术 M 北京： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 WA N G J i a n h u a ， S U N S h e n g - j i a n g E x p e ri m e n t a n d d e t e c t i o n t e c h n i q u e for b ri d g e a n d c u l v e rt e n gi n e e ri n g M B e i j i n g ： P e o p l e S T r a f fi c P r e s s ， 2 0 0 4 7 钟新谷预应 力混凝 土连 续箱 梁桥裂 缝防 治 与研究 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 6 ， 3 ( 3 ) ： 7一l 4 ZHONG Xi n g uAn aly s i s a n d p rev e n t i o n o f t h e c r a c ks i n c o n t i n u o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x gi r d e r b ri d g e s J J o u r n al o f R a i l w a y S c i e n c e and E n gin e e ri n g ， 2 0 0 6， 3 ( 3 ) ： 7一l 4 8 陈小红， 盛兴旺预应力混凝土先简支后连续梁静、 动 力试验研究 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 ( 2 ) ： 5 6 6I _ CHEN Xi a o h o n g，SHENG Xi ng - wan g T e s t s t u dy o f t h e s t a t i c a nd d y n a mi c p r o pe rty o n p res t res s e d c o n c ret e b e a m c o n s t r u c t e d b y c o n v e r t i n g s i mp l e s u p po r t i n t o c o n t i n u o u s s u p port J J o u r n a l o f R a i l w a y Sci e n c e a n d E n gi n e e ri n g 2 0 0 5 ， 2 ( 2 ) ： 5 6 6 1 9 胡 强， 刘建磊， 袁 磊 高赞大桥静动载试验研究 J 铁道建筑， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 1 8 2 1 H U Q i a n g ， L I U J i a n - l e i ， Y U A N L e i E x peri m e n t a l s t u d y o n G a o z a n B ri d g e u n d e r s t a t i c and d y n a mi c l o a d J Rai l w a y E n gin e e ri n g ， 2 0 o 8 ( 1 2 ) ： l 8 2 1