义乌宾王大桥静动力性能试验研究分析*

祁志伟，方淑君，王 捷，常婵子，周智辉

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

1 工程概况

宾王大桥地处义乌市新区中心，是浙江义乌新区通往东阳江东岸规划开发中的新区的纽带，宾王大桥不仅要承担义乌火车站经宾王大道到东阳江东岸新区的主要过江车辆人群交通，同时，宾王大桥在建筑造型上要与蓬勃发展中的义乌新区建筑相协调，成为新义乌市区的建筑景观。主桥采用三跨55.25 m+80 m+52.25 m下承式钢管混凝土系杆拱，中跨矢跨比 f/l=5.0，矢高 f=15.6 m，边跨矢跨比f/l=4.5，矢高f=11.866 7 m。主桥拱肋钢管采用圆端形，厚度为d=16 mm的钢板弯成二个直径为1 400 mm的圆及1 400 mm直段，焊成1 400 mm的拱肋断面。钢管拱内用周围钢板(d=10 mm)及钢筋加劲，加劲肋间距900 mm。拱肋内灌注微膨胀混凝土。加劲纵梁采用大悬臂梯形单箱多室等截面箱梁与拱圈构成刚梁柔拱体系，纵向预应力采用φj15－9高强低松弛铰线，采用OVM锚具锚固;横梁中采用与纵向相同的预应力索。主桥横向采用φj15－3扁索及相应的OVM扁锚具锚固。每根吊杆采用1根φj15－9钢铰线单向张拉，考虑冲击影响，按荷载组合最大内力进行计算。桥面为适应后期内力需要，采用C30混凝土。宾王大桥全桥共有4个3.5 m宽度的机动车道，2个5.0 m宽度的非机动车道，2个2.5 m的人行道，中间设置的中央分隔带桥面宽度为(2.5+5+7+3.2+7+5+2.5 m)=32.2 m(栏杆宽2×0.25 m未包括在内)。中分隔带两侧范围设置防撞护栏。

2 静载试验

桥梁静载试验是按照预定的试验目的和试验方案，将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，观测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝、沉降等参量的试验，然后，根据有关规范和规程的指标，判断桥梁结构的承载能力以及在荷载作用下工作性能。试验分为上部试验，如梁桥、钢构桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥的上部结构，还有下部试验，如桥墩、桥台和基础。

桥梁静载试验检验桥梁结构的设计与施工质量，验证结构的安全性与可靠性;验证桥梁结构的设计理论与计算方法，充实与完善桥梁结构的计算理论与施工技术，积累科学技术资料;掌握桥梁结构的工作性能，判断桥梁结构的实际承载能力。

静载试验分为3个阶段。

(1)准备规划阶段。包括:①技术资料的收集，包括设计、施工、监理、试验、养护与维修、环境因素、交通量及重载车辆的情况等;②桥梁现状检查，包括桥面、排水、承重结构开裂与否及裂缝分布情况、有无露筋现象及钢筋锈蚀程度、混凝土碳化剥落程度、支座、冲刷等;③理论分析计算，设计内力计算是按照设计图纸、设计荷载、设计规范，采用专用或通用软件，计算出结构的设计内力;试验荷载效应计算是按实际加载等级、加载位置及加载重量，计算出各级试验荷载作用下桥梁结构各测点的反应，如位移、应变等，以便于实测值进行比较;④试验方案制定，包括测试内容确定、加载方案设计、观测方案设计、仪器仪表选用等;⑤现场准备，包括搭设工作脚手架、测量仪表支架、测点放样、测试元件布置、测试仪器安装调试、通讯照明安排等。

(2)加载与观测阶段。分准备工作、试验方案加载、观测试验结构受力后的各项性能指标、记录各种观测数据和资料4个步骤，将得到的各种技术数据与理论计算结果进行现场分析比较，以判断受力后结构行为是否正常，是否可以进行下一级加载，确保试验结构、仪器设备及试验人员的安全。

(3)分析总结阶段。大量的观测数据、文字记载和图片等材料，受各种因素的影响，原始测试数据一般显得缺乏条理性与规律性，未必能直接揭示试验结构的内在行为，对它们进行科学的分析与处理，去伪存真，进行综合分析比较，从中提取有价值的资料，对于一些数据和信号，有时还需按照数理统计或其他方法进行分析，或依靠专门的分析仪器或分析软件进行分析处理，或按照有关规程的方法进行计算，测试数据经分析处理后，按照相关规范或规程以及检测的目的要求，对检测的对象做出科学准确的判断和评价。

根据宾王大桥特点，充分利用对称性，试验跨选东侧边跨和中跨进行荷载试验，确定的主要试验内容为:(1)各试验跨桥面控制截面(L/2，L/4，3L/4和中支点等截面)最大正弯矩作用下的应力状态、挠度和扭转变位(包括上、下游两侧挠度差);(2)拱角控制截面最大内力(弯矩、轴力)作用下的应力、挠度(变形)情况;(3)偏载作用下结构的受力状态和偏载系数;(4)裂缝的出现及扩展情况。

2.1 加载工况及轮位布置结果及其对比分析

宾王大桥试验跨及控制截面见图1，测量位置见图2。

图1 宾王大桥试验跨及其控制截面Fig.1 Test crosses and control section of the Binwang Bridge in Yiwu

图2 控制截面应变测点位置图Fig.2 Locations of the strain measuring points of the control sections

为了准确分析该结构特性和确定最不利轮位布载，主要采用桥梁博士以及MIDAS大型有限元分析程序分别计算内力影响线、控制截面的应力和变形等参数。

表1 静载试验工况Table 1 Static test conditions

2.2 挠度试验结果及分析

工况一、二时挠度实测值与理论值比较曲线如图3所示。

表2 工况一下边跨(55 m)挠度实测值和理论值比较表Table 2 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the side span for condition 1 mm

表3 工况二下中跨(80 m)挠度实测值和理论值比较表Table 3 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the deflection of the central span for condition 2 mm

图3 挠度曲线图Fig.3 Deflection curves

经计算得各测点竖向挠度的校验系数为0.28～0.97，而主要测点的挠度校验系数为0.63 ～0.97，表明该桥的工作状况良好，具有足够的安全储备。

在中跨对称加载时，跨中挠度在扣除支座沉降影响之后为8.950 mm(2006 年)，9.914 mm(2011年)，小于理论计算值13.42 mm，挠度校验系数为0.74;在边跨对称加载时，跨中挠度在扣除支座沉降影响之后为6.318 mm(2006年)和7.995 mm(2011年)，小于理论计算值10.58 mm，挠度校验系数为0.76，说明结构实际刚度比理论刚度大，满足设计及规范要求。

2.3 控制截面应力试验结果及分析

在各个工况下，边跨、中跨截面实测应力和理论计算值分布情况如表4所示。

表4 各工况下截面应力分布图Table 4 Stress distribution of section on each condition

实测该桥中跨(80 m跨)、边跨(50 m跨)跨中梁底拉应力平均值分别为1.205 MPa和1.12 MPa(2006 年)，1.232 MPa和0.532 MPa(2011 年)，小于理论计算值1.68 MPa和1.40 MPa(2006 年)，2.02 MPa和1.62 MPa(2011年);实测中跨、边跨拱脚正应力为 －1.733 MPa和 －1.645 MPa(2006年)，－1.738 MPa和 －1.721 MPa(2011 年)，小于理论计算值 －1.96 MPa和 －1.84 MPa(2006年)，－2.12 MPa和 －2.7 MPa(2011 年);所有控制截面应力校验系数为0.64～0.90，在最不利(对称)荷载作用下，各控制截面的应变校验系数满足《大跨度混凝土桥梁试验方法》3.19.2条款的规定，及校验系数为0.6～1.1，说明结构具有一定的应力储备。

与挠度测试相比，应力测试的精度一般相对较低，且测试结果有一定的离散性。因此，结构的静力性能评价应以挠度为主要指标，应力作为参考。

3 动力性能试验

桥梁结构的动力荷载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性。这些测试结果数据是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。桥梁结构振型的振动周期(或频率)与结构的刚度有着确定的关系。在设计时亦要避免引起桥跨结构共振的强迫振动振源(如风、车辆等)的频率与桥跨自振频率相合，引起过大的共振振幅危及桥梁。

在某一行车速度下，或接近或达到临界速度时，结构的动挠度和动应力会达到最大，在设计中这种动力放大作用是采用冲击系数来考虑的。冲击系数是桥梁设计的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能，实测并积累有关冲击系数的数据，是桥跨结构动力荷载试验的任务之一。在某振动频率下过大的振幅，会使乘客和行人感觉不舒服。当桥梁自振频率处于某些范围时，外荷载(包括行驶车辆、行人，地震、风载，海浪冲击等)也可能会引起桥共振。近年来研究的桥梁结构病害诊断，实际也是以桥跨结构或构件固有频率的改变为根据的。因此，对新建的桥梁、旧桥以及对结构承载能力有疑问的桥梁均需进行动力荷载试验。

本桥结构动力分析采用大型有限元分析程序MIDAS，建立理论模型，全面分析结构的动力特性和动力反应。动载试验时，采用静载试验加载重车分别以30～50 km/h的速度驶过桥梁，每种速度重车各往返跑两次。测定梁指定部位的振动位移，求出梁体的竖向、横向最大振幅和相应的冲击系数。采用脉动试验测定全桥的1～6阶自振频率、振型及阻尼比。动载试验主要工况有跑车(行车)、跳车等。

3.1 测点布置

动力测点布置见图4。

图4 动力测点布置示意图Fig.4 Arrangement diagram of the dynamic observation point

3.2 动位移试验结果及对比分析

通过对拾振器记录到的位移曲线进行振动幅值的扫描分析，求出桥梁结构的最大位移幅值。通过对动信号进行幅值与相位谱、功率谱、相干函数分析，得出桥梁结构的自振频率、振型，见表5。

表5 全桥行车动位移测试结果Table 5 Test results of the full bridge vehicle dynamic displacement mm

由表5可知:在不同行车速度和试验车作用下，实测的竖向最大振幅为0.967 0 mm(2006年)，0.466 8 mm(2011年);横向最大振幅为0.085 4 mm(2006 年)，0.048 7 mm(2011 年)。随着行车速度的增加，竖向振幅、加速度总的呈增大趋势，并且在不同行车速度下，各跨跨中的竖向动位移比横向大很多，说明该桥横向刚度教竖向刚度大，各测点的动位移基本符合受力规律。

3.3 自振频率、阻尼比试验结果及对比分析

通过对脉动及列车过桥后的余振波形进行谱分析，得到桥梁的纵向、横向及竖向自振频率及阻尼比，结构自振频率实测值与理论计算值的比较如表6所示。

表6 自振频率的实测值与理论值的比较Table 6 The comparison between the experimental results and the theoretical value of the natural vibration frequency Hz

由表6可知:自由振动激发的主要是结构的一阶频率(因其能量最大)，对自由振动响应作频谱分析可得出结构的一阶竖向自振频率实测值均较理论计算值稍大，说明该桥实际竖向刚度良好。

从结构自由衰减振动信号还可得出结构模态阻尼比，识别模态阻尼比的方法是对数衰减率法，识别结果分别约为7.43%(边跨)和6.45%(中跨)(2006 年)，8.87%(边跨)和 7.42%(中跨)(2011年)，与一般桥梁结构临界阻尼比1% ～10%接近，属正常范围。

4 裂缝试验结果对比与分析

在2006年对该桥做过静动载试验及外观分析，得出该宾王大桥在试验荷载作用下的工作性能良好，实测结果与理论计算吻合较好，整体性能良好，强度、刚度均满足要求。下面是此次裂缝观测及其检测试验结果与2006年试验结果的对比，见表7。

表7 裂缝前后试验实测值与理论值的比较Table 7 The comparison between the experimental results and the theoretical value before and after test

通过上表中前后静动载试验可以得出以下主要结论:应力、挠度实测挠度小于理论计算值，主要截面的挠度校验系数都在合理的限制之内，且裂缝的宽度也满足规范要求，但有增大的趋势。原因是桥梁的通行量大，堵车状况严重，将桥梁的非机动车道改为机动车道来通行，增加了桥梁的承载、后期保养、混凝土自身的缺陷及其索拉力的减弱等方面，但总体的数据表明该桥整体状态良好，承载力具有足够的安全储备。

5 结论

(1)在中跨对称加载时，跨中挠度小于理论计算值，挠度校验系数在规定范围内，在边跨对称加载时，跨中挠度在小于理论计算值，挠度校验系数在规定范围内，说明结构实际刚度比理论刚度大，满足设计及规范要求。

(2)实测梁底拉应力小于理论计算值，拱脚实测值小于理论计算值，所有控制截面应力校验系数为0.60～0.90，说明结构具有一定的应力储备。

(3)在试验车作用下，实测的竖向最大振幅、横向最大振幅在规范容许的范围内。

(4)结构的一阶竖向自振频率实测值均较理论计算值稍大，说明该梁的实测动刚度比设计动刚度要大，结构动力性能良好。

(5)桥梁的裂缝长度、宽度都增大的倾向，但总体上，裂缝的宽度都在规范规定的要求之内。

建议对此类大桥在运营阶段进行定期动载试验，通过测定横向振幅及自振特性对大桥的健康状态进行评估，以确保大桥及列车运行的安全。

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