大跨度连续梁桥的荷载试验及性能评定

张蔚伟

1 同济大学桥梁工程系（200092） 2 淮安市政设计院有限公司（223000）

桥梁荷载试验是对桥梁结构进行直接加载测试的一项科学试验工作,其目的是通过荷载试验，了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态,从而判断桥梁结构的安全承载能力，评价营运质量[1～3]。对新建桥梁进行荷载试验不但可以准确评定桥梁的承载能力，而且是对设计与施工的验证，为以后的桥梁设计与施工积累一定的资料。

本文结合南通市某新建城市桥梁大跨度预应力混凝土连续梁桥的荷载试验,详细阐述了荷载试验内容及其桥梁承载力评定。该桥主桥采用双幅分离式（50+80+50）m单箱双室度预应力混凝土连续箱梁，底宽11.5 m，两侧悬臂长2.75 m，桥面宽17.0m，中支点处梁高 4.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高及底板厚按二次抛物线变化。桥梁立面布置及横断面见图1、图2。该桥荷载试验的工作内容包含了试验方案设计、静载动载试验。

图1 桥梁立面布置图(单位:cm)

图2 主桥横截面图(单位:cm)

1 试验方案设计

试验设计方案前，需要对桥梁的现状进行调查与检测，获取桥梁的实际几何参数，以准确模拟试验加载计算。主要包括桥跨结构线形和结构外观主要缺陷和病害调查。

1.1 静载试验方案

静载试验的关键是准确的试验加载模拟计算。本文首先用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil对该桥进行结构计算分析。建立的全桥有限元模型如图3所示。

图3 全桥有限元模型

根据试验加载模拟计算,确定主桥各测试控制截面,如图4所示。

图4主桥测试控制截面

各测试截面的具体测试内容即测试工况如下表1所示。

表1 各测试截面测试工况表

1）测点布置

应力测试采用稳定性好、精度高适于野外环境的表面振弦式应变计，其测点布置见图5所示(腹板测点距上翼缘和底板各 5 cm)。

图 5 主桥1-1、3-3截面应力测点布置图

主梁竖向挠度，拟通过在箱梁底面布置棱镜，采用徕卡2003全站仪进行三角高程测量，在底板外侧布置2个测点，如图5的点3、5所示。

2）加载车辆

车辆的加载方式包括了纵向加载布置和横向加载布置。选用的车型按照规范[4,5]，静载试验采用30 t车进行等效加载，车型如图6所示。

图6 加载车型图(单位:cm)

3）车辆横向布置方式

车辆加载的横向布置方式,除负弯矩加载工况只采用对称加载外,其正弯矩加载工况均采用对称和偏载两种加载工况。

4）车辆纵向布置方式

车辆的纵向布置方式按照计算各工况最不利的情况进行加载，以主桥工况3(3-3截面)纵向加载为例，车辆纵向加载如图7所示。

图7 主桥工况3(3-3截面)纵向加载示意图(单位:m)

1.2 动载试验方案

1）自振特性测试

通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。

2）车辆激振试验

车辆激励试验工作内容包括行车试验、刹车试验和跳车试验。测试截面选择在活载作用下结构受力最大的位置，本桥动应变传感器布置在主桥跨中箱梁底面。

2 试验结果分析

结构性能评定根据如下:①施工图进行计算得到的理论检算值；②规范规定的挠度、强度和裂缝容许值[2,3]。本项目主要评定项目为:

1）校验系数

校验系数:评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的重要指标。其计算可统一采用:

η=实测值/理论值

对于预应力混凝土结构，一般认为当1.0≥η≥0.6时[4]，可反映结构的控制截面在拟定荷载等级作用下工作性能良好。此时，结构既有一定的安全储备，且试验方案设计合理，加载适中。

2）实测值和理论值关系曲线

结构计算时假定材料处于线弹性工作状态。如果测点实测值与理论计算值成正比，其关系曲线接近直线，说明结构处于良好弹性工作状况。

3）相对残余应变

正常运营的桥梁应无残余挠度，若出现残余挠度，说明桥梁受到严重损伤或某处截面进入弹塑性。测点在控制荷载工况作用下的相对残余变位Sp/St越小，说明结构越接近弹性工作状况。

4）结构刚度要求

试验荷载作用下，主要测点挠度校验系数η应不大于1。各测点挠度应不超过规范规定允许值[6]。

3 静载试验结果分析

3.1 挠度试验结果分析

限于篇幅,列出工况1和3下左右幅主桥挠度分析结果。

相对残余变形分析也以主桥为例,在各试验工况荷载作用下实测与分析，见表2所示。

表2 各工况下测点相对残余变形表

从表2中所计算的相对残余变形可以看出,在试验荷载作用下，各测试断面卸载后其相对残余变形较小，均在文献[6]规定的20%以内，表明结构处于线弹性工作状态。

各控制截面的挠度实测值如下表3所示。

由表3中数据可以看出:

1）各挠度控制截面在试验荷载作用下实测值均小于理论计算值，校验系数小于1.0，且处于常值范围内，表明结构整体刚度满足设计要求。

表3 城北大桥静载试验挠度测试结果分析表（单位:mm）

2）各挠度控制截面的实测值远小于规范规定的L/600，表明结构整体刚度较大，满足规范要求。

3）各工况偏载作用下，底板两侧的挠度变化不明显，结构抗扭刚度较好。

3.2 应力分析

应力分析仅以左车道左幅主桥腹板工况1对称加载情况下为例，其实测值和理论值比较分析如图8所示。

图8 左幅主车道主桥工况1对称加载下两侧腹板应力分布图

通过应力实测值与理论值的分析，可得出如下结论:

1）各控制截面在试验荷载作用下应力实测值均小于理论计算值，其应力校验系数小于1.0，且处于常值范围内，这表明其强度满足设计要求。

2）在试验荷载对称和偏载作用下，箱梁腹板上沿高度的应变基本呈线性分布，符合平截面假定，表明结构的受力状态处于线弹性工作状态。

4 动载试验结果分析

根据以往对桥梁结构自振特性测试的实践,本次试验采用环境随机振动法。拾振仪采用国家地震局工程力学研究所研制生产的891－Ⅱ速度型传感器。由采集的各测点时域波形图，通过传函分析和模态拟合，可得出桥梁的自振频率和阻尼比如表4所示。

表4 自振特性实测值与理论计算值对比表

1）实测自振频率值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求。

2）左幅主道桥主桥和左幅辅道桥主桥一阶自振频率实测值分别为1.514 Hz和1.465 Hz,由于自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，因此该特征参数可作为今后定期检查的一个参考指标。

3）在不同速度匀速跑车作用下，各测点的动应变测试数据比较稳定，在刹车和跨越障碍作用下，动应变测试数据增长较小，表明实际动荷载对桥梁结构的冲击较小。

5 结论

通过对城北大桥大跨度预应力混凝土连续梁桥的静载试验与动载试验及其结果评定分析的阐述得出以下结论:

1）在试验荷载作用下挠度实测值均小于理论计算值,其挠度校验系数小于1.0，应力校验系数也小于1.0且且控制截面挠度实测值小于规范规定的L/600，表明结构整体刚度满足设计要求。

2）桥梁相对残余变形较小，说明结构产生的挠度能够恢复，结构处于线弹性工作状态。

3）偏载作用下，底板两侧的挠度较对称加载稍变化较小，偏载效应不明显，结构抗扭刚度好。

4）实测一阶自振频率值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求。该参数可作为今后定期检查的一个参考指标。

[1]章关永.桥梁结构试验[M].人民交通出版社,2002.

[2]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].2002.

[3]长安大学编.公路桥梁承载能力评定规程[S].2007.

[4]CJJ11－1993,城市桥梁设计准则[S],1993.

[5]CJJ77－1998,城市桥梁设计荷载标准[S].1993.

[6]交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法[M].北京:1982,10.