常坑大桥荷载试验研究与分析

杨兴华 张 平

（1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳110168；2.中国公路工程咨询集团有限公司 北京中咨正达交通工程科技有限公司，中国 北京100029）

1 工程概况

常坑大桥是福建浦南高速公路的一座大型公路桥， 桥梁全长为646m。 主桥上部构造为（58＋100＋58）m 三跨预应力混凝土变截面连续刚构，采用分离的上、下行独立的两座桥，单幅单箱单室截面，顶宽12m、底宽6.5m，两侧翼缘宽2.75m，箱梁高度跨中为2.5m，支点处箱梁中心梁高6.0m， 由距主墩中心3.0m 处往跨中方向46.0m 段按1.8 次抛物线变化。 箱梁采用三向预应力体系：纵向预应力钢束采用平、竖弯相结合的方式布置，两端张拉；横向预应力钢束布置于顶板，采用单向张拉；竖向预应力精轧螺纹粗钢筋以直线形式布置于腹板中，下端预埋，在箱梁顶面单向张拉。

通过荷载试验，并对试验记过综合分析，对施工质量和大桥的安全度做出可靠的评价。 为今后大桥的安全使用、养护等提供可靠的技术资料。

2 静动力分析

2.1 静力分析

为准确进行荷载试验，试验前先进行理论计算。 采用有限元软件MIDAS Civil 程序进行了结构静力计算、 活载效应计算及相应的加载效率的计算，根据桥梁结构形式，共划分为109 个节点，100 个单元，节点划分及结构离散示意如图1 所示。

图1 结构离散图

2.2 动力分析

采用有限元软件MIDAS civil 进行空间结构的建模与分析。 全桥主梁均采用C50 混凝土： 容重为γ=26kN/m3， 弹性模量为Eh=3.5×104Mpa。在进行上部结构的建模时，计入桥面板的影响,分析计算成果如图2 所示。

图2 试验跨二阶振型图（f2=2.3300898Hz）

3 静动力试验

3.1 静载试验

3.1.1 测试断面及测点布置

根据该桥的结构受力特性，在以下特征截面布设测点进行荷载试验，全面了解该桥的受力状况。

（1）主梁根部断面的应力和应变测试；

（2）L/4 跨截面的应力、应变及挠度测试；

（3）跨中断面的应力、应变及挠度测试；

（4）墩顶截面的应力、应变及水平和竖向位移等。

图3 应变测点布置

3.1.2 试验荷载的确定

为了保证试验的有效性， 根据各测试截面的内力与挠度影响线，按最不利位置加载，在保证各主要测试截面试验荷载效率系数至少达到0.85 以上的条件下， 经过计算确定， 本次静载试验用总重量为320kN 的载重车6 辆，具体数据见表1 所示：

表1 试验用车型号尺寸及重量表

本次试验的荷载效率如表2 所示。

表2 静载试验效率系数

由表2 可见， 各工况荷载的效应均在理论荷载效应的85%以上，符合《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中的规定，说明本次试验方案满足有效性要求。

3.1.3 试验结果及分析

静载试验结果包括试验工况下各测点应变值和挠度值。

（1）主梁应力测试比较

本次静载试验分别对墩顶截面、边跨0.4L 截面、中跨跨中截面的测点进行了应变测试，各测点的实测应力值可按虎克定律，由实测应变求得，即：σ=E·ε。 全桥主梁均采用C50 混凝土，弹性模量为E=3.5×104MPa。

表3 各截面实测应力对比表

（2）主梁挠度测试比较

各个工况下相应控制截面挠度计算值及相应点处的实测值和校验系数见表4，表中以上挠为负，下挠为正。

表4 各截面实测挠度对比表

根据规范要求，处于良好弹性工作状态的预应力混凝土梁桥的应力校验系数应为0.6～0.9，挠度校验系数应为0.7～1.0。而实测该桥应力校验系数平均值为：边跨0.4L 截面为0.75，墩顶截面截面为0.78，中跨跨中截面为0.76。 挠度校验系数平均值为：边跨0.4L 截面为0.80，中跨跨中截面为0.81。应力、挠度校验系数均小于规范要求，说明该桥桥跨结构在设计荷载作用下,处于弹性工作状态，其刚度和承载能力能较好的满足设计要求。

3.2 动载试验

3.2.1 测试截面及测点布置

根据桥梁结构的特点，为了有效地测得结构的动力性能，将测点布置在一阶模态振幅值最大的截面（跨中截面）。在测试截面的上缘安置加速度传感器，以取得结构动力振动频率及阻尼比。

3.2.2 试验工况

以跳车的激振形式，采集动力响应信息。 具体操作过程如下：

在跨中位置设置一块15cm 高的直三角木，让一辆满载重车快速行驶，越过三角木由直角边落下。 此时桥跨结构的振动是带有一辆满载重车附加质量的衰减振动。数据处理时，附加质量的影响予以修正。跳车的动力效应与车速和三角木放置的位置有关。 本次试验中进行3次并行跳车试验，即做在跨中位置做3 次跳车试验。

3.2.3 试验结果与分析

动载试验结果包括桥梁的时域信号记录、自振频率。 动态试验结果与分析如下：

该桥实测一阶、二阶频率均大于理论计算值，说明该桥结构刚度较大。

该桥的阻尼比较大，为0.035。说明该桥跨结构耗散外部能量输入的能力强，振动衰减较快。

综上分析可知，该桥结构刚度较大，耗散外部能量输入的能力强，振动衰减较快，整体动力性能较好，满足运营要求。

4 结论

根据大桥静动载试验及桥梁结构分析，主要结论如下：

（1）桥跨结构在试验荷载作用下挠度和应变都正常，结构基本处于弹性工作阶段，但桥梁相对残余应变较大，考虑到桥梁有纵向裂缝的现象，损害了桥梁的整体刚度，因此，建议封闭裂缝，对裂缝进行加固。

（2） 在动载作用下，该桥的自振频率、阻尼比等特征都正常，说明该桥整体刚度满足要求，动力性能良好。

（3）通过本次试验，依实测数据分析，说明试验孔的施工质量较好，符合设计要求，且具有一定的承载潜力。

［1］YC4-4/1978 大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].

［2］胡大琳.桥涵工程试验检测技术[M].北京：人民交通出版社,2000.

［3］谌润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京：人民交通出版社,2003.

［4］陈榕峰,宋丹,高鹏.公路桥梁荷载试验综述[J].交通标准化,2006（10）.

［5］马超,孙韦.评述桥梁荷载试验的步骤及要点[J].公路交通科技：应用技术版，2013（7）.