积石峡黄河大桥静载试验研究

胡　健,轩俊杰

（1．江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124）

积石峡黄河大桥静载试验研究

胡健1,轩俊杰2

（1．江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124）

通过对积石峡黄河大桥进行静力荷载试验，掌握了桥梁结构在静载作用下的实际工作状态和承载能力。通过对桥梁控制截面的应力理论值与实测值进行对比分析，并运用ANSYS软件进行了模拟分析，借此判断出了桥梁结构的安全承载能力，并对桥梁的运营质量进行了初步评估。

桥梁检测；静载试验；荷载工况；有限元分析

0　引言

随着时代的进步和施工技术的发展，一些新桥型、新材料和新工艺在桥梁施工中逐渐得到广泛应用。从发达国家桥梁的使用情况来看，混凝土桥梁在使用20～30 a后，就会出现安全性与耐久性方面的问题，桥梁的相关性能亦会退化、衰减，从而导致承载力不够、适用性不足等问题。能否找到某种科学、适用、有效的方法对桥梁结构进行合理的试验检测和诊断评定，并对桥梁进行预防性养护、加固，已成为业界的重要课题。

目前，业界最有效、最成熟的检测方法是动静载试验。静载试验可获得控制截面处的应力、应变及裂缝宽度，判断桥梁的承载能力及工作性能；动载试验则可获得桥梁的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数行车响应等参数，并以此判定桥梁结构的整体刚度和行车性能。限于篇幅，本文以静载试验为例，合理地布置测点，拟定工况，对应力应变和挠度数据进行统计分析，并运用ANSYS软件进行了受力模拟，判断出了桥梁的安全承载能力和运营状态。

1　工程概况

积石峡黄河大桥位于青海省积石峡水电站大坝下游的黄河之上，其左岸与水电站的对外公路连接，右岸则与沿河公路相接，是坝区内交通运输的重要通道。积石峡黄河大桥主桥上部为36 m+ 63 m+28 m预应力混凝土变截面连续刚构桥，桥面宽度14 m，设计荷载为汽车-80级和挂车-300。横截面为单箱单室箱形截面，根部梁高4.0 m，跨中梁高为2 m，从距墩中心3 m处到跨中按二次抛物线变化。箱梁顶板宽14 m，底板宽7.0 m，翼缘板悬臂长为3.5 m，全桥仅零号块及边跨端部设置横隔板。

2　静载试验内容、方案及工况

2.1试验内容

（1）主梁组合应力；（2）主梁竖向挠度；（3）结构扭转变形及扭矩效应。

2.2测点布置

（1）应变计布置

对于大跨度三向预应力混凝土连续梁桥，通过对主要承重结构细致的理论分析和计算，确定各测试截面和测点布置。

在桥面埋设数据采集盒，将应变计的导线集中引至数据采集盒。两合拢段各布设一个数据采集盒，具体布置在翼缘边方便测量处。两墩顶位置因有两个控制截面，所以在墩中心位置两侧翼缘布置两个线盒，导线采用就近布设原则，如图1所示。

（2）应变片布置方案[1]

应变片的布置方案如图2所示，沿着箱梁横断面共布设了12个测点。

（3）主梁挠度和变形测点的布设

主梁挠度和变形测点共布设了7处，沿着桥梁纵向布置，如图3所示。

图1　桥梁测点布置立面图

图2　跨中截面应变片布置图

图3　变形测点布置图

主梁挠度测试断面选择中跨1/2断面、中跨左1/4断面、中跨右1/4断面、左边跨1/2断面、右边跨1/2断面和两个墩顶共7个断面。每个断面在两个翼缘边均设置立尺点以便分析结构扭转变形及扭矩效应[2]。

2.3工况及加载效率

该桥静力荷载试验共有11种工况，各工况的加载效率值η见表1。

由表1可以看出，各工况的等效加载效率均分布在0.8≤η<1.05范围内，完全符合《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中的规定[3]。

3　检测结果及分析

3.1试验检测数据分析

（1）挠度检测结果

表1　加载效率η值表

挠度检测结果见表2。

（2）应力应变检测结果

11种工况下的应力应变检测的结果见表3。

（3）实测挠度值和理论挠度值对比曲线

将边跨控制截面和中跨控制截面各自在分级荷载下的实测挠度值和理论挠度值绘出对比曲线散点图（见图4）。

由实测挠度值和理论挠度值曲线散点图可知，二者的拟合度较高，且实测值小于理论值，该桥梁在静载作用下发生的挠度在允许的范围之内，桥梁的运营状态比较安全。

表2　挠度检测结果统计表

表3　11种工况下的应力应变检测结果表

图4　中跨控制截面分级荷载挠度对比曲线图

（4）数据整理分析

整理统计所有检测数据和分析结果发现，边跨控制截面和中跨控制截面在分级加载时挠度校验系数大部分在0.4～0.8之间；实测最大挠度0.013 3 m，理论最大挠度0.019 m，扭转效应为0.007 8 m；底板应力控制截面分级加载校验系数在0.7～1.0之间，达到设计满载时最小值为1.13 MPa，理论计算值为4.74 MPa（成桥状态，未考虑温度影响）。实测顶板压应力在5.87～8.0 MPa之间。桥梁整体的工作状态属安全范畴之内。

3.2有限元计算与分析

（1）模型与计算参数

计算程序采用大型结构分析有限元程序ANSYS。该连续钢构桥采用三维空间模型。全桥模型一共210 338个单元，单元类型选用SOLID45，主桥上部结构箱梁采用C50混凝土，其弹性模量EX=3.5E10，泊松比PRXY=0.167，密度Density= 2 500 kg/m3。横向预应力钢筋采用等效荷载法来模拟，模型中在箱梁顶板有横向预应力钢束的两端节点上施加压应力f=366.8 kN，全桥模型如图5所示。

图5　桥梁ANSYS建模图

（2）跨中箱梁的横向应力云图（考虑挂车-300荷载）（见图6）

图6　跨中箱梁顶板横截面处的横向应力云图

通过跨中箱梁横向应力图可以看出：在加挂车荷载的地方（即图中深色区域），出现最大压应力，其值为-3.88 MPa；由于顶板横向张拉力，从而翼缘板下部出现拉应力，其值为0.4 MPa，其值满足规范要求[5]。

（3）跨中箱梁的横向应力云图（考虑人群荷载）（见图7）

图7　跨中箱梁横向应力云图

通过跨中箱梁横向应力图可以看出：在施加人群荷载的部位，压应力值为-3.71 MPa；腹板上方的桥面板压应力值为-1.17 MPa；由于顶板横向张拉力，从而翼缘板下部出现拉应力，其值满足规范要求[5]。

通过ANSYS软件模拟分析发现：若只考虑某一种内力影响的加载方式，是不能如实地反映出桥梁结构实际承载能力的，如具备条件可分别进行抗弯、抗拉、抗剪和抗扭试验，并应考虑三种效应的加载组合方式，这样可全面、如实地评估桥梁的工作性能[6]。

4　结　论

（1）边跨控制截面和中跨控制截面在分级加载时挠度校验系数大部在0.4～0.8之间，小于规范规定的1.05上限。实测最大挠度0.013 3 m，理论最大挠度0.019 m，满足规范要求。偏载工况时扭转效应不明显，为0.007 8 m，满足要求。故桥梁结构整体刚度满足要求。

（2）底板应力控制截面分级加载校验系数在0.7～1.0之间，均在规范规定的1.05上限之内，满足正常要求范围。实测顶板压应力在5.87～8.0 MPa之间，变化较底板压应力稳定，在满载时有5.87 MPa较大的应力储备，故桥梁满足设计强度要求。

（3）达到设计满载时底板压应力储备最小值为1.13 MPa，故目前可以达到满载通车要求，但考虑到温度变化和预应力损失等因素的影响，在通过大型特种车辆时应加强现场监控。

（4）中跨跨中达到满载荷载时底板压应力最小值为1.13 MPa，理论计算值为4.74 MPa。考虑到一般预应力损失在1～3 a内损失较大，尤其第一年比较剧烈，三年后逐步缓慢，故建议在第一年末和第三年末注意再进行检测。

[1]施尚伟,向中.桥梁结构试验检测技术[M].重庆:重庆大学出版社,2012;

[2]朱郑,冯剑平.李家巷大桥静载试验及刚混结合段受力分析[J].现代交通技术,2012，8(4):37.

[3]交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[4]GB 50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[5]JTJ 021-89,公路桥涵通用设计规范[S].

[6]葛新民，何先明,等.大跨径混凝土桥梁成桥静载试验研究[J].公路工程,2008,2(1):133.

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1009-7716（2016）03-0068-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.020

2015-12-17

胡健(1981-)，男，江苏南京人，硕士，工程师，从事桥梁、隧道、公路工程建设工作。