某特大高墩连续刚构桥荷载试验研究

万 璐， 蒲黔辉, 严 猛

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

虽然我国大规模的土木基础设施建设期间不长，但由于发展速度过快以及设计规范的简化、施工质量的不可控等问题，带来了许多结构安全性、使用性和耐久性方面的隐患[1]。连续刚构桥为超静定结构，对温度作用和支座沉降效应敏感，施工中常伴随一定的结构体系转换，且施工误差、现场环境随机因子这些造成结构损伤的因素无法预知，对既有结构的损伤程度也无法控制和计算[2]。因此，需通过结构现场检测来确定既有结构的现状及在设计荷载下结构是否安全可靠[3]。

荷载试验为常用的桥梁现场检测方法。根据施加到桥梁上的荷载类型不同，荷载试验又可分为静力荷载试验、动力反应试验、动力特性试验和抗震试验四类[4]。目前，国内在桥梁结构荷载试验方面进行了很多研究，但对超过90 m的高墩桥梁荷载试验的研究较少，本文采用前三种现场荷载试验方法，结合有限元理论分析，对墩高91 m的某特大桥进行了运营前静、动载试验，同时阐述了该桥荷载试验内容、方法、流程，以供今后同类桥梁参考。

1 工程概况

主桥桥跨布置为：95 m+180 m+95 m，为一三跨预应力混凝土连续刚构桥，全长370 m。桥梁平面位于直线上，横坡单向为2 %，最大纵坡为2.9 %。该桥主梁为单箱单室变截面预应力混凝土连续箱梁，底板宽度6.5 m,顶板宽度12.0 m；跨中合龙段以及边跨支点处3.8 m等高梁段高4.5 m，主墩支点处16 m长等高梁段高11.0 m，其余梁高按1.8次抛物线规律变化。

2 静载试验

该桥由两幅构成，本文仅针对(左幅)主桥力学性能进行分析。为全面反映桥梁结构(左幅)在正常使用荷载下的受力性能，选取中跨跨中、1/4截面、边跨三分点处共9个试验截面，试验截面布置图见图1。

2.1 静载试验工况

为了真实模拟桥梁运营阶段承受汽车荷载情况并检验箱梁断面的抗扭能力及整体性能，静载试验选取中载工况和偏载工况，具体的7个试验项目见表1。通过有限元软件Midas/Civil进行布载，最终将以上试验内容合并为六个荷载工况，分别观测各个控制截面的应力、挠度以及是否出现异常情况。

图1 主桥试验截面布置示意(单位:m)

2.2 静载试验荷载

静力荷载试验采用载重汽车进行。对每一试验工况，所需车辆荷载的数量通过设计控制荷载产生的最不利效应值等效换算而得。为保证试验效果，静载试验荷载效率系数应满足式(1)：

(1)

最终采用轴距为3.8 m+1.4 m的双后轴载重货车，加载单车重360 kN，加载布置图见图2、图3。

图2 工况三、四汽车荷载纵向布置(单位: mm)

(a)偏载车辆横向轮位布置 (b)中载车辆横向轮位布置图3 横向轮位布置(单位: mm)

由表1可知，试验跨中、偏载工况的荷载效率系数介于0.99～1.04之间，处于评定规程建议的0.95～1.05的范围[4]。

2.3 静力试验测点布置

由于该桥桥墩高达91 m,采用精密水准仪进行各控制截面的挠度测试。挠度测点共布置17个，根据各控制截面变形的特点和大小，墩顶附近截面分别在左侧布置1个测点，中跨1/4截面沿横向各布置2个测点，中跨跨中和边跨三分点截面分别沿横向布置3个测点。应力测点布置于各控制截面箱梁底面、腹板下部及翼板根部处，共35个应力测点，各测点位置见图4。

表1 静力试验荷载工况及对应荷载试验效率值

2.4 静载试验数据测试方法、处理流程

采用混凝土应变片测算结构应变/应力，对环境温度等因素的补偿通过补偿点来实现。应变采集、梁体挠度测量、梁体及环境温度测量分别通过静态数据记录系统、精密水准仪、红外温度测试仪进行。此外，为实现加载过程的实时控制，保证结构安全，在试验过程中及时对应力、挠度等实测控制数据进行换算处理，并与试验设计计算值进行比较，以确保试验荷载作用下结构的受力性能[6]。

(a)箱梁挠度测试截面挠度测点

(b)箱梁应力测试截面应变测图4 测点布置

3 动力试验

动力测试主要包括自振特性测试和行车激励测试。其中采用脉动法测试该桥的自振频率、阻尼比和振型；通过行车试验和跳车试验进行行车激励测试，控制截面选择中跨跨中截面(5#截面)。

行车试验分有障碍行车和无障碍行车两种，无障碍行车试验是在桥面无任何障碍的情况下，分别沿各桥幅中心线同向、同速驶过1辆载重汽车，测定此过程中桥跨结构的动力响应和冲击系数。跳车试验需在试验截面内力影响线峰值对应的桥面处设置一高7.5 cm、底宽30 cm的三角形断面障碍物，以模拟桥面铺装可能出现的局部损伤，以测定桥跨结构在桥面状态不良时运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。

4 试验结果及分析

4.1 静载试验

4.1.1 梁体挠度

经过计算，各试验工况下梁体的挠度结构校验系数介于0.62～0.77之间，处于规范规定的合理范围，卸载后梁体结构最大残余变形为7.3 %，低于规范要求值20 %[4]，表明试验的桥跨结构具有足够的刚度。由于篇幅有限，图5、图6仅列出了部分偏载工况下，梁体挠度实测值及与计算值的比较。

图5 工况二下挠度实测值及与计算值的比较

图6 工况六下挠度实测值及与计算值的比较注：面向昭通方向，左手边为“左侧”、右手边为“右侧”；竖向挠度向下为正。

4.1.2 梁体应力

通过现场实测及有限元结构分析软件Midas/civil计算分别得到了偏载、中载工况下部分试验截面应力实测值及与计算值，二者比较见图7～图10。通过计算得出各试验工况下截面的应力结构校验系数介于0.50～0.95之间，试验截面的应力结构校验系数均处于规范规定的合理范围[5]，卸载后梁体结构最大残余应变为14.3 %，低于规范要求值20 %[5]，表明试验的桥跨结构具有足够的强度储备。同时结果显示考虑偏载的情况下，各截面的实测应力值均小于理论计算值，表明截面的抗扭、抗翘曲性能良好。

图7 工况二(偏载)下1#截面应力实测值与计算值的比较

图8 工况四(偏载)下2#截面应力实测值与计算值的比较

图9 工况一(中载)下1#截面应力实测值与计算值的比较

图10 工况一(中载)下2#截面应力实测值与计算值的比较 注：应力受压为负，受拉为正。

4.2 动载试验

4.2.1 自振特性测试

结构自振频率是结构刚度的体现，过低的自振频率表明桥梁的恢复周期变长，整体刚度下降，不利于结构正常工作[6]。通过环境激励法测得的桥跨结构实测频谱图，再利用功率谱计算自振频率对应的阻尼比。该桥梁结构的自振特性见表2。从实测结果可以看出：桥梁的实测频率略高于理论计算频率，表明该桥的整体刚度较好，具有一定的抗冲击能力，且实测阻尼比属正常范围，表明桥梁的动力性能良好。

表2 桥跨结构自振特性(横竖前三阶模态)

桥跨结构实测竖向和横向前二阶振型图见图11～图14。实测结果表明桥跨结构竖向和横向振型符合连续刚构桥的受力特性。

图11 桥跨结构竖向一阶振型

图12 桥跨结构竖向二阶振型

图13 桥跨结构横向一阶振型

图14 桥跨结构横向二阶振型

4.2.2 激振测试

根据刚构桥的受力特点，激振测试选在中跨跨中5#截面进行。试验分为行车激振和跳车激振，在不同车速下的中跨跨中截面的行车、跳车冲击系数曲线见图15～图16。

图15 中跨跨中5#截面行车冲击系数曲线

图16 中跨跨中5#截面跳车冲击系数曲

从图15、图16分析可以看出：(1)中跨跨中5#测试截面行车冲击系数最大值在车速约30 km/h和40 km/h时取得，约为1.03，实测行车冲击系数介于1.02～1.03之间；(2)中跨跨中5#截面跳车冲击系数最大值在车速约10 km/h时取得，为1.24，实测跳车冲击系数介于1.12～1.24之间，表明桥跨结构的激振响应正常；(3)在有障碍行车时，汽车以相较于无障碍行车更小的车速却对结构产生了更大的冲击作用，表明桥面铺装不平整或局部缺陷会给桥梁结构受力造成不利影响，应重视桥面铺装的设计和维护。

5 结论

根据测试结果分析，桥跨结构的挠度结构校验系数介于0.62～0.77之间，应力结构校验系数介于0.50～0.95之间，均处于合理范围，表明该桥跨结构具有足够的刚度富余和强度储备，满足公路—I级设计荷载等级的要求。同时应力受中载偏载的影响较小，表明该箱梁结构具有较好的抗扭性能。桥梁的实测频率略高于理论计算频率，实测阻尼比属正常范围，桥跨结构竖向和横向振型符合连续刚构桥的受力特性，表明桥梁的动力性能良好。桥跨结构测试截面实测行车冲击系数介于1.02～1.03之间，跳车冲击系数介于1.12～1.24之间，表明试验的桥跨结构激振响应正常。