公路桥梁结构安全性检测与评定

彭超凡 郑七振 赵荣欣 谢思昱 冯军骁 李 鹏

(1.上海理工大学，上海 200093； 2.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海 200032)



公路桥梁结构安全性检测与评定

彭超凡1郑七振1赵荣欣2谢思昱1冯军骁1李 鹏1

(1.上海理工大学，上海 200093； 2.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海 200032)

以鄂尔多斯市某跨线桥为例，通过静载与动载试验，检测了桥梁的静力性能参数及结构动力特性，结果表明，桥梁外观和刚度状况良好，处于弹性受力阶段，结构整体承载性能满足设计要求。

桥梁结构，静载试验，动载试验，挠度

1 桥梁概况

某跨线桥位于鄂尔多斯市东胜区布日都镇，立交功能定位为：枢纽型城市互通立交。改扩建工程路线全长为25.253 km，上部结构采用简支连续小箱梁，标准跨径为30 m和35 m。下部结构采用桩柱式桥墩，在桥宽变化段，通过改变立柱间距和根数的方式来满足受力要求。桥台采用轻型埋置式桥台，宽2 m，最小厚度1.5 m，支座采用板式橡胶支座，铺装采用沥青混凝土铺装，总厚17 cm。

2 静载试验

桥梁静力荷载试验，主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力，用以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符[4]。

2.1 测点布置

2.1.1 应变测点

截面抗弯应变测点设置在各截面应力分布较大的部位，每个断面分别在小箱梁底板和腹板布置应变测点，应变测点均布置在小箱梁结构的混凝土外表面上。结合现场试验条件，在3个断面共布置了22个应变测点。

2.1.2 挠度测点

挠度测点均布置在小箱梁底板上，跨中截面测点是在每个小箱梁底板各布置1个，墩顶测点则在首尾底板上各布置1个。

2.2 静载试验工况

根据试验内容及现场的试验条件，静力荷载试验共分四个试验工况：1)工况Ⅰ：检验边跨跨中截面在最不利汽车荷载(对称加载)作用下的最大正弯矩效应；2)工况Ⅱ：检验中墩墩顶截面在最不利汽车荷载(对称加载)作用下的最大负弯矩效应；3)工况Ⅲ：检验中跨跨中截面在最不利汽车荷载(对称加载)作用下的最大正弯矩效应。

2.3 静力荷载效率与加载方式

2.3.1 设计控制荷载

1)计算参数。a.设计荷载：均布荷载10.0 kN/m,集中荷载300 kN。b.结构材料：预应力混凝土小箱梁采用C50混凝土，预应力采用φ15.20高强度低松弛(Ⅱ类松弛)钢绞线(标准强度1 860 MPa)。c.汽车荷载系数：单幅桥单向四车道。

2)计算模型。采用有限元分析软件Midas对跨线桥三片连续小箱梁进行受力分析。有限元模型如图1所示，小箱梁共离散为91个节点，90个单元。

2.3.2 静力荷载效率

静力荷载试验效率[5]是某一控制截面在试验荷载作用下的计算效应与该截面对应的设计控制效应的比值。对于在用桥梁，其使用荷载变化情况复杂且长期处于各种荷载作用之下，为使荷载试验能充分反映结构的受力特点，一般要求采用较高的荷载试验效率，其取值如式(1)所示。

(1)

其中，ηq为静力试验荷载效率；Ss为静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力、应力或变位的最大计算效应值；S′为检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数值，μ=0.176 7lnf-0.015 7，f为结构的基频。

依据以上计算公式求得的各工况下的静力荷载效率如表1所示。各试验工况的荷载效率均介于0.95～1.05之间，符合规范要求。

表1 控制截面荷载效率

2.3.3 荷载加载方式

静力试验荷载加载方式是采用单辆重约300 kN的三轴载重汽车作为等效荷载，在试验过程中模拟设计活载所产生的内力值。本次荷载试验现场共选用6辆加载车辆，采用汽车车队加载方式，加载车辆均为三轴重车，车辆满载后控制总重量为300 kN，其中前轴重60 kN，中、后轴各重120 kN。正式试验前，已对所有加载车辆进行过磅称重，与标准300 kN车辆误差均在5%以内。

2.4 静载试验检测结果

2.4.1 应变测试结果

工况Ⅰ边跨跨中控制截面的各应变测点测试结果见表2。工况Ⅱ中墩墩顶主梁控制截面上的各应变测点测试结果见表3。工况Ⅲ中跨跨中控制截面的各应变测点测试结果见表4。表格中拉应变为正，压应变为负，“—”表示应变坏点。

表2 边跨跨中最大正弯矩工况应变测试结果

表3 中墩墩顶最大负弯矩工况应变测试结果

表4 中跨跨中最大负弯矩工况应变测试结果

由表2可知，在边跨跨中最大正弯矩加载工况时，实测应变值均小于理论值，应变校验系数在0.21～0.88之间，均小于1.0，表明在最不利活载效应作用下边跨跨中截面的应力状况能满足设计要求。残余应变值较小且相对残余均小于20%，说明该桥结构处于弹性受力阶段。

由表3可知，在中墩墩顶最大负弯矩加载工况时，实测应变值均小于理论值，应变校验系数在0.81～0.98之间，均小于1.0，表明在最不利活载效应作用下中墩墩顶截面的应力状况能满足设计要求。残余应变值较小且相对残余均小于20%，说明该桥结构处于弹性受力阶段。

由表4可知，在中跨跨中最大正弯矩加载工况时，实测应变值均小于理论值，应变校验系数在0.25～0.79之间，均小于1.0，表明在最不利活载效应作用下中跨跨中截面的应力状况能满足设计要求。残余应变值较小且相对残余均小于20%，说明该桥结构处于弹性受力阶段。

2.4.2 挠度测试结果

通过设置边跨跨中、中墩墩顶和中跨跨中的位移测点，绘制各主梁实测的挠度曲线，并与理论计算的结果进行对比，结果见图2～图4。

从测试结果来看，四个荷载工况作用下，主梁挠度测点的校验系数范围分别在0.39～0.78，0.17～0.44和0.49～0.80之间，说明桥梁的实际状况要好于理论状况，结构承载能力满足设计要求。各测点相对残余挠度及相对残余应变均小于20%，满足规范要求。桥梁结构的整体刚度及其各主梁横向分布情况较好，与设计基本相符。

3 动载试验

动力荷载试验是指采用动力荷载，如行驶的汽车荷载作用于桥梁结构上，以测出桥梁的动力特性，如振动变形、动挠度，从而判定桥梁在动力荷载作用下受冲击和振动的影响程度。

3.1 测点布置

在中跨跨中断面分别布置动挠度测点和振动测试测点[7]。动挠度测点即在中跨跨中断面安装靶标为观测元件，并配备光电挠度仪采集在动荷载作用下的动挠度数据。振动测点即在中跨跨中断面布置拾振器，在动荷载试验中采用智能信号采集处理分析仪进行数据采集，并在Dasp软件平台中建模分析结构振动特性。

3.2 动载试验工况

根据试验内容及现场的试验条件，动力荷载试验共分四个试验工况：1)工况Ⅰ：10 km/h跑车。一辆300 kN试验车辆以匀速10 km/h从中跨桥面上跑过；2)工况Ⅱ：20 km/h跑车。一辆300 kN试验车辆以匀速20 km/h从中跨桥面上跑过；3)工况Ⅲ：10 km/h有障碍行车。先在桥面中跨跨中位置放置一高约5 cm，宽约10 cm的木条，然后一辆300 kN试验车辆以匀速10 km/h从木条上跑过；4)工况Ⅳ：跳车。先在桥面中跨跨中位置放置一高约5 cm，宽约10 cm的木条，一辆300 kN试验车辆使其中轴缓慢驶过木条后立即刹车。

3.3 动载试验检测结果

动挠度测试结果。根据中跨跨中截面所布置的动挠度测点，中跨主梁在各动载工况下实测的动挠度时程曲线，可算得主梁在各动载工况下的冲击系数如表5所示。

冲击系数μ能够反映车辆动荷载对结构的动力增大效应。实测的活载动力增大系数，可根据测点动挠度时程曲线进行整理分析，按式(2)计算：

(2)

其中，Smax为在动力荷载作用下该测点最大挠度值；Smean为相应的静载作用下该测点最大挠度值。

(3)

其中，Smin为与Smax相应的最小挠度值。

据表5可知，在无障碍跑车状态下，跨中截面实测的冲击系数分别为0.100和0.054，数值较小，且均小于冲击系数理论计算值。而在桥面设置高约5 cm的木条障碍下进行跑车实测的冲击系数较大，大于冲击系数理论计算值。

各动荷载试验工况下的实测结果表明，在桥面无人为障碍的情况下，桥梁结构的行车性能较好，桥面平整度较好。而当桥面有木条等障碍时，桥面跑车对桥梁结构的冲击影响较大，但卸载后，桥梁挠度恢复正常。

表5 主梁跨中截面行车冲击系数实测结果

4 结语

本文以内蒙古鄂尔多斯市某跨线桥为研究背景，通过对桥梁的常规检测、静载试验、动载试验及有限元结构分析，对桥梁结构的适用性、耐久性和安全性进行了评定。检测结果显示，桥梁外观和刚度状况良好，处于弹性受力阶段，结构整体承载性能满足设计要求。

[1] JTG H11—2004，公路桥涵养护规范[S].

[2] JGJ T23—2011，回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

[3] JTG/T J21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[4] 吴建奇，郑 晓，张婷婷.桥梁检测中的静载试验研究[J].铁道建筑，2011(2):42-44.

[5] 吕大伟，袁卓亚，石雄伟，等.中小跨径梁桥试验荷载效率[J].长安大学学报(自然科学版),2013,33(6):59-67.

[6] 申明文,周海俊.桥梁静动载试验检测方法[J].城市道桥与防洪，2007(7):158-160.

[7] 胡顺仁，陈伟民，章 鹏.桥梁监测系统多传感器测点之间的关联分析[J].土木工程学报，2009,42(3):82-86.

Safety testing and identification on the structure of highway bridge

Peng Chaofan1Zheng Qizhen1Zhao Rongxin2Xie Siyu1Feng Junxiao1Li Peng1

(1.UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China; 2.ShanghaiResearchInstituteofBuildingSciences(Group)Co.,Ltd,Shanghai200032,China)

Taking the overpass bridge in Ordos city as an example, through static load and dynamic load test, the paper detects the static bridge performance parameters and structural dynamic properties. Results show that: the bridge appearance and rigidity are good, lies in elastic stress stage, and its structural bearing performance meets design demands as well.

bridge structure, static load test, dynamic load test, deflection

1009-6825(2016)27-0156-03

2016-07-18

彭超凡(1991- )，男，在读硕士

U441

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