施桥运河大桥荷载试验分析与承载力评定

孔繁龙

（扬州市航道管理处 扬州 225003）

为了保证新建桥梁成桥后的正常运营，有必要通过桥梁现场荷载试验对桥梁结构工作状态进行直接测试，以此确定桥梁的实际承载能力。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验［1－3］。

1 施桥运河大桥工程概况

施桥运河大桥主桥为132m预应力钢管混凝土系杆拱结构，采用刚性系杆刚性拱，计算跨径L＝128.66m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1／5，矢高25.732m；拱肋采用哑铃型钢管混凝土。桥面标准宽度为12m，横向布置为0.5m（护栏）＋1m（人行道）＋9m（车行道）＋1m（人行道）＋0.5m（护栏）。设计荷载为公路－II级，人群荷载为3.0kN／m2。大桥立面布置见图1。为了检验成桥后桥梁的承载能力是否满足正常使用状况的要求以及评估实际结构的动力性能，对全桥展开荷载试验分析。

图1 施桥运河大桥立面布置图（单位：cm）

2 荷载试验实施方案设计

2.1 计算方法和有限元模型

该桥横向设计为2个行车道，设计荷载等级为公路－II级、人群荷载3.0kN／m2。利用桥梁结构分析专用程序Midas／Civil对该桥进行结构计算分析。在设计荷载作用下主桥的弯矩包络值见图2，根据活载作用下的内力包络图以及现场可操作平台最终确定各控制截面具体位置见图3。

图2 设计荷载作用下弯矩包络图

图3 测试截面位置示意图（单位：m）

各测试截面的具体测试内容见表1。

表1 各测试截面测试项目表

2.2 静载试验方案

静载试验采用30t三轴载重汽车进行加载进行等效加载，为保证试验效果，试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数ηd进行控制，ηd要求在0.95～1.05之间，各截面荷载效率系数见表2。

静载试验效率为

式中：Ss为静载试验荷载作用下控制截面的内力计算值；S为控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值；μ为按规范取用的冲击系数。

应力、挠度测点布置见图4、图5。由于桥梁的测试工况较多，文中仅选取3／4跨截面进行分析，加载示意图见图6、图7。

图4 应力测点布置示意图

图5 挠度测点布置示意图

图6 工况1车辆平面加载图（单位：cm）

图7 工况2车辆平面加载图（单位：cm）

各荷载工况的荷载效率系数见表2。

表2 各截面荷载效率系数计算表

2.3 动载试验方案

动载试验包括车辆激励试验和自振特性测试试验2部分。

车辆激励试验的测试截面选择在活载作用下结构应变最大的截面8－8处，布设KD4001工具式动应变计，见图8，采用DRA－107A数字动态应变测试仪对跑车、刹车、跳车分别进行测试数据采集。车辆激励试验加载车型同静动试验。但由于多辆车无法做到对桥同步激励，所以试验时选择1辆车进行激励试验。

图8 动应变测试传感器布置图

采取脉动法进行自振测试，使用国家地震局工程力学研究所研制生产891－II速度传感器作拾振器，布设在桥面两侧，见图9。放大装置采用与之匹配的DLF－8型四合一放大器，采集器采用东方所INV306DF智能信号采集处理分析仪，整个测试系统见图10。

图9 脉动试验传感器布置示意图（单位：cm）

图10 脉动试验测试系统组成框图

采用DASP软件分析系统对测试数据进行谱分析，根据相关自相关谱、互相关谱、各点相位及相干系数确定各阶频率。结构阻尼系数用阻尼比Dn表示为：

式中：fn为第n阶频率；Δf为第n阶半功率带宽频率。

3 试验数据分析

3.1 静载试验

结构性能评定根据如下：①按施工图进行计算得到的理论检算值；②按规范规定的挠度、强度和裂缝容许值。从校验系数、实测值和理论值的关系曲线、相对残余变位（或应力）、结构刚度要求等4个方面来对该桥进行评定，见图11，12，表3，4。

图11 试验荷载作用下截面挠度图

图12 试验荷载作用下腹板应力图

表3 试验荷载作用下测点相对残余变形表

表4 工况2荷载作用下关键截面应力分析表

由图11、图12，表3、表4可知：

（1）在试验荷载作用下，各控制截面挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数小于1.0，结构刚度满足要求。

（2）在试验荷载作用下，控制截面的关键测点应力值均小于理论值，应力校验系数小于1.0，结构强度满足要求。

（3）位移测试控制截面量测的相对残余变形均在《公路桥梁承载能力检测评定规程》［4］要求的20%范围以内，表明卸载之后结构的变形能够及时恢复，结构处于弹性工作状态。

3.2 动载试验

脉动测试时，分次采集的各测点速度信号，典型测点时程波形曲线和自功率谱见图13～图16。

图13 1号测点时程波形曲线

图14 1号测点自功率谱

图15 6号测点时程波形曲线

图16 6号测点自功率谱

根据各测点时域波形图，通过DASP软件分析系统进行传函分析和模态拟合，得出主桥的自振频率和阻尼比见表5。

表5 振特性实测值与理论计算值对比表

部分典型动应变时程曲线实测图见图17，各工况下实测动力放大系数结果见表6。

图17 激励试验下测点应变时域波形图

表6 车辆激励试验结果汇总

由图13～图17，表5、表6数据可知：

（1）由模态试验基频和理论计算值对比可以看出，试验桥跨自振频率实测值略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求。

（2）本次试验桥梁一阶频率实测值为0.78 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检查的一个参考指标。

（3）在匀速跑车作用下，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。

4 结语

荷载试验结果表明，施桥运河大桥主桥受力性能和正常使用状态承载能力满足公路－II级荷载等级的使用要求。

［1］崔国宏，沈东强，高 丽，等.新保安大桥成桥静动载试验研究［J］.铁道建筑，2007（8）：5－7.

［2］韩 艳，陈政清.茅草街大桥动力特性有限元模拟与分析［J］.公路，2003（3）：66－70.

［3］李运生，张博庆，张彦玲.钢管混凝土拱桥空间自振特性的分析［J］.石家庄铁道学院学报，1997，10（4）：21－25.

［4］JTG／TJ21－2011公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.