城市高架桥荷载实验研究

宜昌超越路桥有限公司 邓宗昌

随着我国城市现代化建设步伐的加快，越来越多的城市修建了高架桥，城市交通网得到了进一步完善，这对于城市的发展具有重要的促进作用。为了使高架桥能安全地为公路运输服务，必须对新建桥梁进行鉴定。本文，笔者以某城市新建高架桥为例，对其进行荷载试验研究，以检验桥梁的施工质量、承载力和实际工作状态是否达到设计要求，为竣工验收和安全运营提供科学依据，以保证桥梁营运的可靠性；同时还可以为高架桥设计积累科学资料，为桥梁养护、维修提供参考资料。

一、工程概况

该桥梁工程规划为城市快速路，全线采用高架加地面辅道形式。桥梁工程包含主线及上下桥匝道两部分，主线全长7.5 km，其中高架桥长6.9 km，高架引道长0.5 km，上下桥匝道全长1.8 km。全线高架桥标准截面均为双向6车道，桥宽28 m，主线为钢箱梁，荷载等级为公路Ⅰ级。

二、 桥梁检测内容及结果分析

1.桥梁恒载线形检测。为了解桥梁结构线形与设计线形是否吻合，以保证桥梁的长期运营，需对桥梁总体线形进行测量。利用已有的桥位施工控制网，采用精密电子水准仪对主梁纵向标高进行测量，标高测点布置在主梁桥面墩顶截面、L/2、L/4及L3/4（L为主梁桥长度）截面处，共设37个测点。为消除温度对于线形的影响，测量应选择能见度好，气温较低且稳定的时段进行。

2.静载试验。

（1）静载试验内容。桥梁静载试验是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下各控制截面的应力及结构变形，从而确定桥梁结构实际工作状态与设计期望值是否相符，是检验桥梁性能及工作状态最直接、最有效的方法。

为了解结构应变或变位随加载内力增加的变化情况，防止结构意外损坏，试验决定采用逐级加载的方式进行，根据桥梁的实际情况，加载分2 ～ 3级进行，试验中对加载的控制采用逐渐增加加载车辆的方式。试验采用三轴载重汽车加载，汽车荷载的选用遵循两条原则，一是使各控制截面加载效率系数满足静力试验荷载效率的要求；二是在满足试验要求的条件下，尽可能减少加载用车数量。主线纵向试验分析采用单车重300 kN的车辆加载；主线横向试验分析采用单车重340 kN的车辆加载。

试验中所需要的加载车辆数及加载位置根据设计标准活载（公路Ⅰ级）产生的最不利效应值按等效原则换算而得。静载试验荷载一方面应保证结构的安全性，另一方面应能充分暴露结构的承载能力，通常有

式（1）中，ηq为静载试验荷载效率系数，Sstate为试验荷载作用下检测部位荷载效应的计算值，S为设计标准荷载作用下检测部位荷载效应的计算值，δ为设计取用的动力系数。需要注意的是ηq取值有一定的限制，通常为0.85～1.05。

首先将试验加载车过地磅称重后，在不影响试验桥跨的位置错开停放。正式加载前，用4辆加载车辆并排缓慢地来回两次对全桥进行预压，然后非工作人员退场，待一切工作安排就绪后，将各试验量测仪表读数调零，进行第一次空载读数（应变和挠度），同时记录该时刻的气温。正式实施试验加载时，试验加载车按试验方案分级加载。每级试验加载车驶入指定的区域就位后，稳定15 min后记录加载后的第1次读数，间隔10 min后再记录加载的第2次读数，当两次读数差均小于前次读数增量的10%时，认为结构变形已趋稳定，此时所记录的数据为试验实测数据，同时记录该时刻的气温。每个工况试验的载位满载完成后进行一次卸载，稳定20 min后观测数据，待数据稳定后，记录残余应变和挠度，并记录该时刻的气温。

需要注意的是，在试验加载过程中，应确保桥梁的安全，防止试验荷载对桥梁造成损伤。当控制测点应变值已达到或超过理论计算的控制应变值或控制测点变位（或挠度）超过规范允许值时，应终止加载试验。

（2）静载试验结果分析。根据测点理论应力计算各测点的理论应变，钢材弹性模量Eg计算时取200×103MPa。通过实测应变和理论计算值的比较，分析计算结构的相对残余应变和应变校验系数，以评定结构的工作状况，确定桥梁的承载能力。

由试验数据可知，主线钢箱梁的应变校验系数为0.704 ～0.927，平均应变校验系数为0.800，满足检测规程要求，说明设计竖向荷载作用下结构强度安全储备充分，满足设计使用要求；主线钢箱梁的最大挠度为17.02 mm，挠度校验系数在0.736～ 0.954，平均挠度校验系数为0.882，满足规范要求，说明桥梁结构刚度满足设计要求；主线钢箱梁平均残余应变为5.3%，平均残余变位为8.7%，远小于控制值19%，说明结构的弹性工作性能较好，具有良好的弹性恢复能力。

3.动载试验。桥梁动载测试就是利用车辆荷载或环境激起桥梁结构的振动，然后测定桥梁振动的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而判断桥梁结构的整体刚度和行车性能。通过动载试验分别测取以下各动力参数和响应值，并和理论计算值进行比较，以确定桥梁结构的动力特性（阻尼、自振频率）、动载作用下（行车和跳车）桥梁结构的动力响应信号和动力响应值（振幅、冲击系数等）是否异常、是否满足规范要求。

（1）动载试验测试项目。

①脉动试验。主要是使用高灵敏度的传感器和放大器，测量外界因素所引起的桥梁微小且不规则的振动，然后进行谱分析，最终得到桥梁结构的自振频率。

②跑车试验。用1辆300 kN的试验加载车分别以20，30，40和50 km/h的速度往返匀速通过桥跨结构，以测定桥梁结构在动荷载作用下的强迫振动响应。

③跳车试验。在桥跨跨中桥面设置高10 cm左右的三角形垫木，将300 kN试验加载车后轴置于其上，然后突然下落，测定桥梁结构在动荷载作用下的强迫振动响应。

④制动试验采用1辆300 kN试验加载车以20 km/h的行驶速度在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，测试桥梁的振动响应。

（2）动载试验结果分析。根据实测数据，主线基频实测值为2.30 Hz（大于理论值2.20 Hz），说明其实际刚度大于理论计算刚度；依据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ D60-2004），实测主桥行车、跳车及刹车试验的各项动力性能指标与以往同类桥梁相差不大，车辆行驶状况较好。刹车工况与跳车工况实测值与同类型桥梁实测值相当，在正常范围内；主线的阻尼比为0.7%～4.1%，也在正常范围之内。

三、 结论

通过对该桥梁工程主线钢箱梁进行恒载线形检测和荷载试验，测试了桥梁结构各关键部位的应力、挠度以及结构的动力特性，主要结论如下。

1.主线钢箱梁应变校验系数满足检测规程要求，说明设计竖向荷载作用下结构强度安全储备充分，满足设计使用要求；主线钢箱梁挠度校验系数满足规范要求，说明桥梁结构刚度满足设计要求；桥梁结构的相对残余变形远小于控制值的20%，说明结构的弹性工作性能较好，具有良好的弹性恢复能力；实测主线钢箱梁的脉动一阶自振频率较理论值高，各项动力指标正常。

2.试验仅反映试验荷载作用下桥梁的结构性能；在交通流量和环境等外在不确定因素以及内在的桥梁本生材料的老化等因数的长期作用都会对桥梁结构产生影响，因此需要对桥梁进行长期有效的观测。