某斜交梁桥荷载试验计算分析

刘 小 军

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)



某斜交梁桥荷载试验计算分析

刘 小 军

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

为检验某城市斜交梁桥的承载能力，了解该桥的工作性能，为其今后的正常运营和养护管理提供依据，结合该桥结构特点，特对其进行荷载试验。介绍了荷载试验的主要流程，通过有限元分析，将计算得到的挠度、应变与振频率等指标与实测值进行对比分析，结果表明该桥静载试验加载效率为0.96～1.03，满足规范0.95～1.05之间的规定；截面最大相对残余为13.87%，满足强度要求；桥梁横向、纵向挠度试验值均包络于计算值内，即均在正常范围内；应变增大系数处于1.027～1.048之间，均小于规范取值1.050；测试截面一阶竖向自振频率为4.541 Hz，与理论值4.97 Hz相差不大；试验结果满足正常使用要求。该桥工作状态良好，可以投入正常使用。

梁桥；荷载试验；挠度；应变；自振频率；动力响应

我国桥梁众多，桥梁的管理养护工作是桥梁建设的重要一环。近年来不断发生桥梁垮塌事故，使得桥梁的安全性成为人们关注的热点。荷载试验法是桥梁安全评价中常用的一种方法。桥梁的荷载试验分为静载试验和动力荷载试验，其原理是通过桥梁结构的布置，对桥梁结构进行检测，并确定桥梁的截面或多个截面的应变、挠度以及桥梁结构的自振频率等指标。荷载试验是在结构上施加荷载，通过在结构上布设的感应装置，测定桥梁某一截面或多个截面的应变、挠度、自振频率等指标，再对试验结果与有限元模型计算结果进行对比分析，判断桥梁的工作状态是否满足正常使用要求，桥梁的承载能力是否在安全范围内。

从20世纪80年代起，美国等发达国家逐渐把桥梁工程的重心移向检测评估、管理养护上，并已取得了长足进展。与发达国家相比，我国公路桥梁方面的检测评估、管理养护工作仍存在一定的差距，还有很长的路要走，近年来，我国已开展桥梁荷载试验方面研究工作，逐步积累资料和经验[1-3]。罗晓英[4]、白雨[5]对系杆拱桥进行了加载试验分析，刘旭政等[6]、黎虹等[7]、曾凡奎等[8]、刘又佳等[9]分别对斜拉桥加载工况、梁格法、残余应力和荷载试验校验系数等进行了研究。石雄伟等[10]在对比新旧设计规范的基础上对桥梁荷载试验加载效率进行了系统研究，张征文等[11]通过荷载试验数据对桥梁结构有限元计算模型进行了修正。任东华等[12]基于可靠度理论对桥梁荷载试验效率进行了深入研究。

本文以一座空心板梁桥为工程实例，通过静载试验、动载试验、有限元计算分析等手段，分析其各项安全指标，为该桥的管理养护工作提供技术参考。

1　工程概况

某空心板梁桥位于山西省境内，是一座跨河斜交桥(见图1、图2)，斜交角度为15°。该桥全长20.0 m，桥面总宽8.2 m，横向布置为0.6 m(防撞栏)+7.0 m(车行道)+0.6 m(防撞栏)。上部结构为1跨简支空心板，横桥向共为6片简支空心板，板高0.9 m，腹板平均厚度为0.25 m，顶板厚0.1 m，底板厚0.1 m。空心板采用C40混凝土设计，边盖梁采用C30混凝土。下部结构为钻孔灌注桩基础，钻孔桩上设边盖梁。桥面铺装由10 cm厚沥青混凝土与10 cm厚现浇混凝土组成，全桥共设2条80型伸缩缝，桥面内侧采用SA型组合式现浇混凝土防撞护栏，外挂预制地袱。

该桥竣工于2009年3月，设计荷载等级为城-A级，抗震烈度按7度设防。

为检验该桥的实际工作状态，判断其承重安全性，评估其是否能够正常运营，结合该桥结构特点，特对其进行荷载试验。

图1　立面图(单位：cm)

图2平面图及试验对象(单位：cm)

2　试验方案

2.1计算模型

采用MIDAS/Civil有限元软件建立了该跨河桥的有限元计算模型，共建立136个节点和225个板梁单元，如图3所示。

图3有限元模型

2.2控制截面设计活载内力计算

利用梁格法[7,11]计算出该跨河桥在设计活载作用下控制截面的弯矩包络图，如图4所示。可见，该桥在“城-A级”荷载作用下，试验桥跨单片梁(1#板梁)0.5L处截面的最大正弯矩为7.67×105N·m，取其为弯矩控制值。取1#板为分析对象，设计活荷载作用下控制断面的弯矩如表1所示。

图4　1#板梁在设计活载作用下弯矩包络图

2.3动力特性计算

经有限元模拟计算，本桥自振频率理论计算结果见表2、图5。

表2　自振特性理论计算结果

图5一阶振形

2.4试验加载

2.4.1静载试验加载及荷载效率

本次试验采用的车辆配置为三辆35 t左右重量的卡车，车辆车轮位置如图6所示。通过工况1～工况2，使该桥1#梁跨中处正弯矩达到加载效率。具体加载步骤如表3所示，各工况试验荷载载位图如图7所示。试验荷载作用下检测跨1#梁控制截面弯矩加载效率见表4。

图6　车轮位置示意图(单位：cm)

图7工况1～工况3荷载布置图(单位：cm)

本次试验所用荷载是根据设计标准活载在该试验工况内产生的最不利效应值进行等效换算[10]，等效换算的原则为使所用的荷载试验效率ηq应满足：

(1)

式中：ηq为静力试验荷载试验效率；Sstat为试验荷载作用下控制截面内力计算值；Sq为二期恒载(桥面沥青铺装)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(不计冲击)；μ为按规范取用的冲击系数。

表3　静载试验工况及试验目的

表4　试验荷载作用下检测跨1#梁控制截面弯矩加载效率汇总表

2.4.2动载试验加载

进行动载试验的目的主要是测试桥梁的自振、受迫振动特性以及加速度时程响应[2-6]。自振特性的测试在桥梁无荷载作用下所处的自然环境中进行，自振特性测试采用地脉动为激振源；受迫振动测试的振源主要由两种方式发起，跳车和跑车激振。跳车激振法是将一辆大概10 t重的卡车的后轮抬高15 cm后释放，从而使桥梁振动；跑车激振法是采用同样重量的汽车，在桥面分别以20 km/h、40 km/h的速度匀速行驶进行激励振动。

2.5测点布置

2.5.1挠度测点

在第2跨支点、四分点、跨中位置等处共布置7个挠度变形测点，如图8所示。

图8检测跨变形测点布置图(单位：cm)

2.5.2应变测点

检测跨应变测试断面选在跨中处A-A截面，共设置9个应变测点，应变测试截面及测点布置示意图，如图9、图10所示。

图9　应变测点布置截面示意图(单位：cm)

图10A-A截面应变测点布置示意图(单位：cm)

2.5.3动载试验测点

动载试验采用DASP动态测试与分析系统进行。本次动载试验对象为全部桥跨，在A-A截面桥面上竖直对应应变测点“Y6#”处布置动测测点，如图11所示。

图11动载试验测点布置示意图(单位：cm)

3　试验结果及分析

3.1静载试验结果分析

3.1.1应变测试结果分析

将A-A截面各测点应变测试结果和有限元计算值作对比，结果见图12。

图12应变试验值与计算值对比结果

通过对应变试验结果进行分析，得到以下结论：经计算，桥梁试验工况加载效率为0.96～1.03，满足关于加载效率应在0.95～1.05之间的规定，说明试验有效性满足要求。在各工况作用下，各测点的应变试验值都小于计算值，各工况下A-A截面应变测点应变校验系数分别是0.38～0.66、0.55～0.87、0.42～0.67、0.37～0.56和0.68～0.78，都在合理范围内。荷载卸除后，A-A截面最大相对残余为13.87%，说明该桥强度基本满足设计要求，且结构处于比较好的弹性工作状态。测试截面应变的横向分布规律与理论计算值吻合，结构整体受力性能较好。

3.1.2挠度测试结果分析

将全桥各挠度测点测试结果和有限元计算值作对比，结果见图13、图14。

图13　各工况作用下纵桥向测点挠度测试结果

图14各作用下横桥向测点挠度测试结果

对试验结果及计算值进行对比分析可知，各工况作用下，桥梁横向、纵向挠度试验值均包络于计算值内，即均在正常范围内。

3.1.3裂缝检查

进行试验前后对主梁及桥台进行了全面的裂缝检查，在检查过程中未见明显裂缝。

3.2动载试验结果分析

3.2.1结构动力特性

结构动力特性主要通过分析结构固有频率得到。结果表明，该桥测试截面一阶竖向自振频率为4.183 Hz与理论值4.541 Hz相差不大，这反映了该桥实际结构刚度与理论计算刚度无明显差异，与静力试验的挠度检测结果吻合。检测分析结果如表5所示。

表5　A-A截面固有频率分析表　单位：Hz

3.2.2结构动力响应

跑车和刹车试验动力响应实测结果见表6。跑车及刹车试验的部分实测信号见图15～图19。

表6　跑车和刹车试验动力响应检测结果

结构动力系数即应变增大系数反映了汽车动荷载对桥梁的冲击作用[9-10]，其计算公式为：

结构的动力系数计算公式为：

(2)

式中：Smax为动力荷载引起检测部位的实测最大动力变形或力值(即最大波峰值)；Smean为静力荷载引起同一检测部位的实测最大静力变形或力值。

经试验，A-A截面20 km/h跑车、40 km/h跑车、40 km/h刹车相应的应变增大系数为1.027、1.031、1.048。

图1520 km/h跑车测试截面加速度信号

图16　40 km/h跑车测试截面加速度信号

图17　40 km/h刹车测试截面加速度信号

图18　20 km/h跑车动应变时程曲线

图1940 km/h跑车动应变时程曲线

通过对该桥进行的动载试验，可得出以下结论：

(1) 该桥测试截面一阶竖向自振频率为4.183 Hz与理论值4.541 Hz相差不大，这反映了该桥实际结构刚度与理论计算刚度无明显差异，与静力试验的挠度检测结果吻合。阻尼比实测均值为0.0634，属小阻尼振动。

(2) 20 km/h跑车、40 km/h跑车、40 km/h刹车试验，A-A截面实测竖向加速度为0.188 m/s2～0.305 m/s2，该值偏小。应变增大系数处于1.027～1.048之间，40 km/h刹车时最大，均小于规范取值1.050，说明桥跨结构冲击效应较小，桥梁行车性能良好，桥面平整程度良好。该值与车速有一定相关性。

动力试验结果表明：此桥竖向自振频率与理论值相差不大，结构实际刚度大于理论刚度，汽车荷载对桥梁的冲击效应与规范建议值接近，实测动应变幅值较小,试验桥跨结构动力性能正常，满足桥梁正常使用的要求。

4　结　语

荷载试验分析结果表明，该桥结构处于比较好的弹性工作状态，测试截面应变的横向分布规律与理论计算值吻合；桥梁横向、纵向挠度试验值均包络于计算值内，即均在正常范围内；主要承重结构未发现明显病害；实际结构刚度与理论计算刚度无明显差异，与静力试验的挠度检测结果吻合；应变增大系数均小于规范取值1.050，说明桥跨结构冲击效应较小，桥梁行车性能良好，桥面平整程度良好；该桥可以满足正常使用要求。

[1]尹彬彬,李金涛．荷载试验检测技术在桥梁技术状态评估中的应用[J]．中国建材科技,2011(5):10-14．

[2]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):31-33．[3]王凌波,贺拴海,蒋培文,等．大跨径桥梁荷载试验加载方案算法设计[J]．武汉理工大学学报,2011,33(2):77-81．

[4]罗晓英.某下承式系杆拱桥静动荷载试验研究[J].山西交通科技,2015(3):65-69.

[5]白雨．大跨度系杆拱桥荷载试验研究[D]．成都：西南交通大学，2012:7-8．

[6]刘旭政,商岸帆,黄平明．斜拉桥荷载试验工况合并研究[J]．中外公路,2011,31(4):167-170．

[7]黎虹,周琳,储伟伟．梁格法在桥梁荷载试验中的应用[J]．城市道桥与防洪,2013(2):44-46．

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[12]任东华,唐英．基于可靠度理论的桥梁荷载试验效率的研究[J]．铁道建筑,2013(11):5-7．

Analysis of The Load Test of a Skew Bridge

LIU Xiaojun

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to test the bearing capacity of a skew bridge and understand its working performance, this research carried out the load test, through finite element analysis, the calculated deflection, strain, vibration frequency and other indicators and the measured values were compared and analyzed, results showed that the bridge static load test loading rate was 0.96～1.03 and 0.95～1.05, which meet the standard section; the maximum relative residual is 13.87%, and meet strength requirements; bridge transverse and longitudinal deflection test values were calculated on the envelope, which were in the normal range. The strain increase coefficient is in the range of 1.027～1.048, less than the standard value of 1.050, a test section order vertical vibration frequency is 4.541 Hz, which is similar to the theoretical value 4.97 Hz. The test results meet the requirements of normal use, the state of the bridge is good, and can be used normally.

beam bridge; load test; deflection; strain; natural frequency; dynamic response

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.039

2016-04-04

2016-04-28

刘小军(1979—)，男，山西孝义人，工程师，主要从事公路桥梁工程的勘察设计工作。E-mail:646461088@qq.com

U441+.2

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1672—1144(2016)04—0201—05