铁路汉亭中桥成桥现场荷载试验

章继树

（中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，高级工程师，广西 南宁 530003）

汉亭中桥是广西华银铝业有限公司铁路专用线上的一座铁路桥，桥位于山间谷地，地势平坦开阔，采用3-20 m简支T梁跨越马隘河，桥墩采用圆形桥墩，桥台采用T形桥台，基础采用明挖扩大基础。铁路专用线按工业企业Ⅱ级标准设计，设计速度55 km/h，桥梁设计荷载为中-活载。该桥简支T梁采用在桥位处现场预制，汽车吊吊装就位的方法施工。由于T梁预制不是在工厂或制梁场内制造，同时在该桥T梁预应力管道压浆过程中发现有浆液从梁体渗出等问题，为了正确评估该桥的工程质量，掌握该桥成桥后的力学性能及承载能力状况，为该桥运营阶段的管养维护提供科学依据，决定在桥梁架设完成后对该桥进行静载试验。通过分步加载对桥梁进行承载能力和使用状态检测，并经数据分析判断桥梁能否达到设计荷载标准要求和满足铁路正常运营的需要。

1 静载试验

1.1 试验内容试验内容包括在静荷载作用下测试桥梁各控制部位的应力；在静荷载作用下测试桥梁各控制部位的竖向位移（挠度）值；在静荷载作用下观察梁体有无裂缝。

1.2 试验方法根据现场实际情况，试验采用汽车等效荷载加载方法。通过对测试部位测试内容进行影响线计算，确定载重汽车布置位置和钢筋放置位置，使之与桥梁设计荷载中-活载考虑列车竖向动力作用后等效〔1〕。

1.3 测试设备测试设备采用多功能数据采集仪（TDS-602日本TML）、智能信号采集分析处理仪（IAV306U北京东方所）、位移传感器（CDP-25日本TML）等。

1.4 试验跨及部位选择该桥上部结构采用20 m装配式预应力混凝土简支T梁，根据简支桥梁的结构特点，按照结构最不利原则，本荷载试验选择第2跨桥梁支座截面和跨中截面进行测试。

1.5 测点布置根据结构受力特点，本试验对桥梁跨中进行纵向应力和竖向挠度测试，对支座截面测试支座位移和45°方向应力。

应力测点布置：在被测试T梁跨中截面布置纵向应力测点，测试桥梁跨中纵向拉应力；在德保端支座截面布置45°应力测点，测试支座45°拉应力。

挠度测点布置：在被测试T梁的跨中截面梁底布置挠度测点。

1.6 加载方案

1.6.1 最不利荷载及试验加载荷载的计算 根据桥梁实际情况，本试验采用等效应力荷载进行加载。试验前先根据工程所在地情况，采用钢筋混凝土轨枕、道砟、钢筋和600 kN加载车进行加载（对每辆加载车的轴重需严格称重，轴距标准需核实）。根据跨中截面弯矩影响线，计算桥梁设计荷载及试验荷载作用下的主梁内力，得出M试验和M设计。加载效率η=M试验/M设计，按《大跨径混凝土桥梁试验方法》〔2〕调整确定试验荷载布载方式，使η=0.8～1.05。

由于仅采用重载汽车作为试验荷载无法满足与中-活载等效的试验要求，在试验过程中拟先在桥梁上铺设道砟至道砟槽顶面，再辅以轨枕和成捆钢筋进行试验加载。共用钢筋混凝土轨枕25根，重87.5 kN；Φ 32螺纹钢筋4捆，重106 kN；Φ28螺纹钢筋10捆，重289.8 kN。重载汽车2台，分别是1号车（桂L32780），其前中后轴重分别为113.2 kN、255.1 kN、255.1 kN，前中后轴距为3.85 m、1.35 m；2号车（桂L25254），其前中后轴重分别为111.2 kN、246.8 kN、246.8 kN，前中后轴距为3.85 m、1.35 m。

1.6.2 静载加载程序 静载试验加载为分级加载，每加一级荷载需监测其应变及位移，并作好记录，以保证加载安全。

试验工况为正载工况，首先铺设的梁顶道砟按匀布荷载考虑，随后逐级布设钢筋混凝土轨枕、钢筋和2辆双后轴加载车，至加载效率η=0.93，测试跨中截面梁底应力和挠度值以及支座截面剪应力和位移值。分步加载如下：

Ⅰ.加22根钢筋混凝土轨枕，共重77 kN，沿桥梁两侧均匀布设。

Ⅱ.加3根钢筋混凝土轨枕，重10.5 kN；14捆钢筋，重395.8 kN。共重406.3 kN。集中布设于桥梁跨中2.5 m范围。

Ⅲ.在德保端上1号车，后轴距试验梁跨跨中2.5 m。

Ⅳ.在厂区端上2号车，后轴距试验梁跨跨中2.69 m。

以上试验荷载横桥向均居中布置。1.6.3 静载试验终止加载的控制条件

1）控制测点应力值已达到或超过用弹性理论或按规范安全条件计算的控制应力值时。

2）控制测点的变位（或挠度）超过规范允许值时。

3）由于加载，使结构裂缝的长度、宽度急剧增加，新裂缝大量出现，缝宽超过允许值的裂缝大量增多，对结构使用寿命造成较大的影响时。荷载试验现场的正面见图1、侧面见图2所示。

图1 试验现场正面

图2 试验现场侧面

2 荷载试验理论计算

根据施工设计图，利用通用有限元分析软件建立ABAQUS三维空间模型，模型的节点数为879 16，单元数为691 14。理论计算模型见图3、桥梁模型荷载加载见图4所示。计算模型中，X轴为横桥向，Y轴为竖向，Z轴为纵桥向，边界条件为在支座处施加支撑约束，固定支座为X、Y、Z三向支撑，活动支座为X、Y二向支撑。

图3理论计算模型

图4桥梁模型加载图

3 试验测试与成果分析

梁体混凝土采用C 40，混凝土弹性模量为E=3.40×104MPa；锚穴采用C 35无收缩性混凝土填塞；横隔板联结处细石混凝土标号同梁体；纵向预应力钢筋采用1×7标准型公称直径为15.2 mm、强度级别为1 860 MPa的低松弛钢绞线，弹性模量为195 Gpa；横向预应力钢筋采用精轧螺纹钢，弹性模量为200 GPa；普通钢筋采用Q 235钢筋及HRB 335级钢筋〔3〕。荷载试验按1.6.2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ试验荷载方式分步加载，分别记录下各测点的应变及位移监测值，同之前采用大型通用有限元分析软件ABAQUS相应工况下计算出的各测点应变及位移的理论值进行分析比较。

3.1 荷载试验应力测试荷载测试的加载过程，包括预加载、加载卸载、加卸载时间间隔等都严格按试验规程进行，并逐级加载。在加载过程中观测测点的应变及位移变化及卸载后的综合回弹状况，待变形稳定后测读相关应变及竖向位移〔4〕。在加载过程中，各测点应力测试值和计算值见表1和表2（仅列出上游侧T梁）；每级荷载加载的纵向应力沿梁高的应力分布见图5，拉应力为正，压应力为负。

表1 面应力（应变）测试成果表 单位：MPa

表2 支座截面45°应力（应变）测试成果表 单位：MPa

图5 上游T梁纵向应力沿梁高布置图

结果对比分析表明：

1）在各试验荷载分步作用下，各测试截面应力分布（大小及正负）与有限元计算结果基本一致，测试值小于计算值。

2）试验荷载作用下跨中截面梁底测点最大应力值为3.60 Mpa，相应的计算最大值为3.95 Mpa，测试值小于计算值，其他测点应力测试值分布规律与有限元计算结果基本一致。

3）试验荷载作用下支座截面45°应力测点最大应力值为1.29 Mpa，相应的计算最大值为1.38 Mpa，测试值小于计算值，其他测点应力测试值分布规律与有限元计算结果基本一致。

4）跨中截面顺桥向应力沿梁高变化规律较好，基本符合平截面假定。

5）支座截面45°应力沿梁高变化规律较好，除部分位置受预应力筋作用影响外，基本符合支座截面45°的应力分布规律。

6）由于桥梁为预应力结构，跨中梁底恒载（自重加预应力作用）压应力值大于10 Mpa，因而，叠加试验荷载后，跨中梁底仍处于受压状态，压应力值小于C40混凝土允许应力值。卸载后，各应变测点的残余变形小于3 mm，证明桥梁具有良好的恢复能力，结构在弹性变形范围内。

3.2 荷载试验挠度测试在试验荷载作用下，位移（挠度）测试与应变测试同步进行。桥梁支座截面和跨中截面的位移试验结果见表3。表中各测点竖向位移向上为负、向下为正。

表3 位移测试成果表 单位：mm

从位移测试成果表中可看出，各工况下各测点竖向位移实测值分布合理。测得T梁最大竖向位移fmax=4.92 mm，理论计算值fmax=5.02 mm，实测值小于相应的理论计算值。同时，实测值与理论计算值均小于《铁路桥涵设计基本规范》规定的简支T梁容许挠度值fmax=30 mm。

卸载后测试残余竖向位移值，各测点均小于0.05 mm，与应力测试一样，同样说明桥梁具有良好的恢复能力，桥梁在设计荷载作用下处于弹性工作状态。

4 结束语

通过静载试验得出以下结论：

1）从应力测试分析结果可知，桥梁控制截面各测点在最不利荷载工况作用下，跨中截面梁底应力值小于混凝土允许应力值，满足强度要求。

2）在最不利荷载下，跨中截面实测最大挠度值远小于《铁路桥涵设计基本规范》规定的允许设计值L/800，说明该桥的刚度满足设计荷载要求。

3）试验过程未见梁体出现裂缝。

目前，该桥已顺利建成，并于2011年7月通过竣工验收，2011年10月通车运营至今状态良好。同时，由于铁路桥梁荷载试验多在桥梁工厂或预制场进行，成桥后现场荷载试验未见报道，故该桥采用的现场荷载试验方法能为今后铁路桥梁现场荷载试验提供借鉴作用。

〔1〕铁道部.TB 10002.1-2005/J 460-2005铁路桥涵设计基本规范〔S〕.北京：中国铁道出版社，2005

〔2〕交通部公路科学研究所，交通部公路局技术处，交通部公路规划设计院.大跨径混凝土桥梁的试验方法〔R〕.在柏林举行的专题第五次专家会议通过，1982

〔3〕铁道部.TB 10002.3-2005/J 462-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范〔S〕.北京：中国铁道出版社，2005

〔4〕建设部.GB50152-92混凝土结构试验方法标准〔S〕.北京：建设部标准定额研究所，1992.