大跨度有损伤连续梁荷载试验数据与损伤分析

郑舟军 史慧彬 黄海洋

(1.浙江交工高等级公路养护有限公司 舟山 316034； 2.浙江沪杭甬高速公路股份有限公司 310016)

1 工程背景

某预应力混凝土连续梁桥于2004年建成，主跨布置为80 m+150 m+80 m，左、右幅分幅建造。上部结构截面布置为单箱单室，底宽6.0 m、顶宽10.8 m，主墩支点处截面高9.0 m，跨中截面高3.0 m。主桥下部结构采用实体墩和钻孔灌注桩。

主要技术标准：①设计行车速度，60 km/h；②桥面宽度，按双向四车道标准设计，桥梁全宽 22.5 m；③设计荷载，汽车-超 20 级；验算荷载：挂车-120。④地震烈度，按七度设防；⑤通航标准，设一个主通航孔，净高 21 m，净宽 130 m，设计最高通航水位为 3.09 m。桥梁立面见图1。

图1 桥梁立面图(单位：cm)

该桥于2015年首次发现中跨跨中合龙段底板存在少量横向裂缝，经过裂缝封闭处治后病害持续扩展，于2020年上半年进行了特殊检查和静动载试验[1-3]，下半年进行了桥梁维修加固。检查大桥中跨合龙段箱梁，发现有规律的底板横向裂缝和腹板竖向裂缝，其中5条裂缝宽度超过JTG/T J21-2011 《公路桥梁承载能力检测评定规程》限值，箱梁内外裂缝位置基本一致。历年线形测量结果表明该桥中跨跨中挠度相比成桥时下挠约13.5 cm，接近计算跨径的1/1 000。本文对本次荷载试验和2004年成桥荷载的数据进行对比分析，结合精细化空间有限元模拟跨中结构损伤，对大桥的荷载试验数据和损伤程度进行进一步分析和研究。

2 荷载试验概况

2004年大桥交工验收前检测单位对该桥进行了成桥静动载试验，试验采用三轴载重汽车(300 kN)，右幅桥梁9个工况，左幅桥梁5个工况，获得了桥梁的初始受力状态和参数。

2020年大桥加固前对该桥进行了静动载试验，试验采用三轴载重汽车(350 kN)，对左幅桥梁分8个工况进行加载，掌握了桥梁现状受力状态和参数。

鉴于该桥在历年定期检查中发现中跨跨中存在底板横向裂缝和腹板竖向裂缝，为了了解桥梁跨中截面的损伤状况及桥梁自身受力状态的演变过程，本文将对比2次荷载试验的实测结果，并对大桥损伤状况进行分析和评价。2次荷载试验在中跨跨中最大正弯矩加载工况下的试验基本数据见表1，加载轮位见图2。由于计算模型和方式存在一定差异，造成2次荷载试验加载参数存在一定差异，但总体基本一致，可以进行对比分析。

表1 2次荷载试验加载参数

图2 跨中截面加载工况轮位布置(单位:m)

3 静载试验数据分析

3.1 跨中截面试验数据

3.1.1混凝土应变数据

中跨跨中截面是桥梁设计的重要控制截面，本桥该截面位置存在严重病害，分析该处最大正弯矩工况作用下的结构响应尤为重要。本次试验和成桥试验的跨中截面应变测试结果见表2。

表2 跨中截面应变测试结果

成桥荷载试验得到的结构校验系数普遍较小，表明新建桥梁其刚度较好。顶板位置校验系数为0.34～0.39，相对偏低，分析其原因可能与该桥桥面铺装调平层采用10 cm钢纤维混凝土有关，这将大幅提高顶板刚度，而在理论计算时未考虑其贡献。

本次荷载试验时，跨中截面底板混凝土已开裂，严格来说其测试结果仅为名义应变，并不能完全代表结构的真实受力。但跨中截面底板应变校验系数也为0.69～0.76，远大于成桥试验结果，说明试验时结构响应偏大。需要指出的是混凝土名义应力用作计算的结构校验系数是不准确的。顶板应变的实测值和校验系数数值在2次试验中基本一致。

3.1.2跨中裂缝宽度数据

在中跨跨中最大正弯矩工况加载时，对跨中截面上底板和腹板的典型裂缝宽度进行了监测，监测结果见表3，表中数据从检测报告摘录。

表3 跨中截面裂缝宽度结果

由表3可见，试验过程中底板横向裂缝和腹板竖向裂缝均有不同程度的增加，确证该裂缝为结构性裂缝，对桥梁的承载能力和结构耐久性有影响。裂缝宽度残余率不超3%，说明试验荷载作用下未造成结构二次损伤，推测混凝土结构主筋未出现材料屈服。

3.2 墩顶截面应变分析

墩顶截面最大负弯矩加载工况下，墩顶截面结构应变的实测情况见表4，表中数据从检测报告摘录。

表4 墩顶截面的试验应变结果

由表4可见，总体而言，墩顶截面由于结构刚度大，又处于复杂应力状态，截面应力水平不大，会影响试验实测值的精度。本次荷载试验结果显示，墩顶截面的实测应变和校验系数相比成桥荷载试验结果有较大幅度增量，其中底板最大校验系数接近1。加载过程中未发现墩顶截面有混凝土开裂等异常现象，但其校验系数偏大，说明墩顶截面荷载作用效应增加，推测可能是由于材料性能降低或边界条件发生变化。

3.3 跨中挠度数据分析

跨中截面最大正弯矩工况作用下主梁跨中最大挠度测试结果见表5。对比2次荷载试验结果，虽然两者荷载稍有差异，但是本次试验挠度值远大于成桥荷载试验，其中对称加载工况跨中挠度增加36%，偏载加载工况跨中挠度增加99%，本次荷载试验结果挠度校验系数偏大。

表5 跨中挠度试验结果

4 结构损伤程度分析

4.1 跨中损伤程度

上述荷载试验的轮位计算和计算值是按结构完好状态进行的，而实际结构如存在明显的损伤，特别是在上述试验结果中也证实结构存在损伤，建立更加精确的计算模型并考虑已经确证的结构损伤，在此基础上得到的损后结构校验系数，更具有实际意义且有助于发现其它损伤。根据预应力钢筋混凝土受力原理，当混凝土出现受拉而开裂后，受拉混凝土退出受力状态，钢筋及预应力钢绞线继续受力。

新计算模型采用三维实体单元建模，根据跨中裂缝分布情况考虑开裂区混凝土处于不受力状态，而钢筋和预应力钢绞线继续受力，计算得到修正理论值见表6。

表6 跨中截面损后结构校验系数分析

根据外观检查和试验结果，跨中截面上底板的应变和裂缝宽度存在显著增加，使应变实测值和校验系数只代表名义值，真实受力情况应对所在位置对应方向的主筋应力进行测试。由于试验过程中未对钢筋受力进行检测，采用综合考虑混凝土应变和裂缝宽度变化量估算底板试验总应变实测值。在测试得到截面混凝土应力的基础上，根据外观检查结果底板横向裂缝间距大约在50 cm，裂缝宽度增加量折算混凝土的应变约为320×10-6，然后得到试验总应变实测值。最后得到底板的损后结构校验系数为0.50～0.51，顶板的损后校验系数0.49～0.61，总体趋于合理。

4.2 墩顶截面损伤程度分析

采用空间实体模型分别计算跨中结构完好和结构损伤2种模型，与本次实测结果进行对比，结果见表7。

表7 墩顶截面损后结构校验系数分析

由表7可见，跨中损伤对墩顶截面应变有一定影响，截面顶底板应变将增加约5%。采用空间实体模型计算得到的未考虑损伤和损伤状态的校验系数为0.55～0.79，符合常规混凝土桥梁结构校验系数通常范围，可以判断墩顶截面不存在明显结构损伤。

4.3 跨中损伤程度

采用空间实体模型分别计算跨中结构完好和结构损伤2种模型，与本次实测结果进行对比，结果见表8。

表8 跨中挠度损后结构校验系数分析

由表8可见，在跨中截面最大正弯矩工况对称加载时，未考虑损伤时结构校验系数为0.64，考虑损伤后结构校验系数为0.56～0.57，仍稍大于成桥荷载试验，主要是环境及材料影响造成抗力折减，但总体符合桥梁建成十多年的实际现状。在跨中截面最大正弯矩工况偏载加载时，未考虑损伤时结构校验系数为0.85～0.99，考虑损伤后结构校验系数为0.75～0.88，说明偏载作用下挠度效应仍偏大，确证了跨中截面损伤。针对损伤后结构校验系数仍小幅偏大，结合桥梁实际裂缝分布，推测该侧腹板的损伤可能比模拟状况严重。

5 动载试验数据分析和解读

5.1 动载数据试验

桥梁的动载试验[4]是为了测定桥梁结构自身的动力特性，如结构的自振频率，阻尼特性及固有振型等，掌握引起结构产生振动的作用力数值、方向、频率和作用规律等，同时也测定动荷载作用下强迫振动的动力响应。在成桥荷载试验中进行动载试验是为了获取桥梁初始状态的动力性能参数，建立基准初始资料。在服役桥梁中进行动载试验主要是了解桥梁动力性能的变化趋势，辅助了解结构性能的受损等状况。2次动载试验的实测结果见表9。

表9 2次动载试验实测结果

由表9可见，结构阻尼比反映结构在振动过程中的能量耗散，本次动载试验测试阻尼比结果较成桥大幅增加。本桥中跨竖向振动一阶频率减小5.39%，各阶次竖向振动频率有小幅增加，主要原因是结构的竖向刚度有一定的折减。

5.2 动载数据损伤

动载试验的计算值和实测值有一定的差异，动力数据没有结构校验系数一说，其主要反映全桥整体性能的重要受力参数指标，跟结构刚度和质量分布密切相关。动力性能计算对计算模型的建模精度要求极高，不但要求精确模拟承重结构的刚度和质量，更要求模拟桥面铺装和防撞护栏等附属设施的实际刚度贡献和质量。在桥梁自重不变的情况下，桥梁结构频率的变化趋势实际上是结构整体刚度的变化。

以往很多学者采用模态分析手段进行损伤识别，从理论上是完全可行的。按照上述损伤计算模型分别计算了无损结构和跨中损伤结构的各阶频率变化，结果见表10。

表10 考虑中跨跨中损伤后各阶频率计算值对比表

根据表10计算结果，跨中损伤对结构部分竖向频率有显著影响，对横向振动频率的影响稍小，影响较大的竖向振动频率变化量为3%～5%。具体分析影响较大的振动模态，当损伤位置离振动模态零轴越远，其频率变化量就越大，反之同理。频率变化量较大的3个振型图见图3，分别是竖向振动的1阶、3阶和5阶模态。

图3 损伤敏感的振动振型

由图3可见，本次动载试验结果显示第1阶和第3阶竖向振动频率有较大幅度减小，符合桥梁跨中存在损伤状况的计算结果。

在实践过程中，对于交通量较大的高速公路、城市快速路，封桥进行静载试验是比较困难的，但进行动载试验的条件相对容易达到。可以利用上述规律采用动力响应数据或曲率模态进行损伤判断，同时也可以在加固后采集动力数据进行对比分析，利用动力响应数据变化状况辅助评价加固效果[5]。

6 结语

1) 对比分析2次荷载试验实测结果，跨中截面荷载效应实测值较成桥状况有较大幅度增加，通过实体模型考虑跨中截面损伤后计算损伤后结构校验系数总体趋于合理，证实桥梁跨中截面存在显著损伤，大桥需要及时维修加固。

2) 建议对带有明显损伤桥梁的荷载试验，在制定荷载试验方案时考虑结构损伤对结构安全的影响，合理设定试验加载效率；对已开裂混凝土结构，建议在试验中测试主筋受力，提高对已开裂混凝土或潜在开裂区域的测试精度；在动载试验时应掌握前一次试验的实测值，对损伤敏感的频率和振型重点检测，提高检测精度。

3) 荷载试验得到的结构校验系数是评判结构实际状况的重要指标，检测单位应重视理论计算值的准确性。