江苏某桥梁动静态检测与荷载试验研究

陈金春 徐陈栋 张森 张岩 朱子

摘 要：以江苏省某桥梁受损加固东边跨的承载能力为研究对象，对桥梁进行了动静态检测和荷载试验，主要测试分析了桥梁在静态荷载作用下的应力应变和挠度变形，以及在动态荷载作用下的自振频率、阻尼比和应变增大系数。测试结果表明桥梁测试截面的应变、挠度校验系数均能满足设计荷载正常使用的要求；桥梁一阶竖向自振频率实测值分别为2.26～3.13Hz，平均结构自振频率试验值大于计算值，表明结构实际刚度大于计算刚度；一阶竖向振型的阻尼比为0.01～0.05，处于正常范围0.01～0.08之间。

关键词：桥梁检测；应力应变；挠度；自振频率；阻尼比

中图分类号：TU378.02 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0040-02

Abstract： Taking the bearing capacity of the east span of a bridge damaged and strengthened in Jiangsu Province as the research object， the dynamic and static test and load test of the bridge are carried out. The stress， strain and deflection of the bridge under static load are mainly tested and analyzed. And the natural vibration frequency， damping ratio and strain increase coefficient under dynamic load. The test results show that the check coefficient of strain and deflection of the test section of the bridge can meet the requirements of the normal use of the design load， and the measured values of the first order vertical natural vibration frequency of the bridge are 2.26～3.13 Hz respectively， and the experimental value of the average natural vibration frequency of the bridge is larger than the calculated value. It is shown that the actual stiffness of the structure is greater than that of the calculated stiffness， and the damping ratio of the first order vertical mode is 0.01～0.05， which is within the normal range of 0.01～0.08.

Keywords： bridge detection； stress and strain； deflection； natural vibration frequency； damping ratio

1 工程概况

试验桥梁为三跨连续梁桥，全长106.0m，修建于1987年。桥梁基本参数如下：设计荷载：汽车20吨，挂车100吨；上部结构：30m+42m+30m钢筋混凝土T梁+悬臂T梁；下部结构：重力式墩和重力式台。由于桥梁建设年代久远，桥梁评分等级较低（2015年为B级），同时桥梁一边边跨收到车辆严重撞击，根据相关规范要求对桥梁受损边跨的承载能力进行检测。

2 静载试验

桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力荷载作用下各控制截面的应力及结构变形，从而确定桥梁结构实际工作状态与设计期望值是否相符，它是检验桥梁性能及工作狀态最直接、最有效的办法。测试内容主要包括应力测试、挠度测试等试验项目。

2.1 加载工况与试验效率

本桥为三跨连续梁桥，由于只有东侧边跨受损和加固处理，其它桥跨部分完好，因此，仅针对东边跨进行承载能力测试，边跨测试控制截面为跨中截面，测试工况为跨中截面应变及挠度。拟选定4辆350kN的汽车（单车总重为350kN，要求前轴重70kN，中后轴280kN，前中轴距为325cm，中后轴距为135cm）进行试加载。以5#梁和1#梁的跨中截面的对称荷载的加载效率分别为0.92和0.97，符合《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》规范要求。

2.2 测点布置

根据桥梁受力特点，在边跨跨中位置布置10×4=40个应变测点。应变测点全部采用120Ω应变片进行测试，并考虑测试现场的温度补偿。

挠度观测截面为L/4截面、L/2截面、3L/4截面，其竖向挠度采用全站仪测量。

2.3 试验数据分析及承载能力评定

2.3.1 刚度分析

边跨挠度测量结果整理如表1（注：挠度向下为正）。

从表1可以看出，在试验荷载作用下，桥梁主要测点挠度实测值均小于理论计算值。依照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）8.2.1中的说明，混凝土桥的挠度校验系数ζ值小于1时，表明桥梁的实际状况要好于理论状况，承载能力满足要求[1]。

结构在卸载后的残余的大小是说明结构弹性工作性能的一个重要指标，因此，在卸载完毕后对结构残余变形进行观测。

2.3.2 强度分析

在两种工况的试验荷载作用下，A-A断面的实测值均小于理论值，校验系数最大值仅为0.83<1，同时在某些梁出现了正负号相反的情况，这主要是由于应变片布点位置位于T型梁惯性轴附近，位置敏感，导致部分梁A-A断面处于受拉状态[2]。

此外，除了8#梁，B-B斷面主要测点应变实测值均小于理论计算值，校验系数在0.07～0.68，而8#梁的校验系数为3.54～4.46，远大于所规定校验系数的最大值1。为了8#梁的状况进行验证，我们观察8#梁C-C截面的应变值以及校验系数，发现8#梁C-C截面在三种工况作用下，其校验系数仅为0.55～0.68<1，表明8#梁荷载的实际状况要好于理论状况，承载能力满足设计要求。

在以5#梁最大正弯矩为加载对象的工况下，C-C断面2～10#梁的校验系数均小于1，然而1#梁C-C断面两个应变片的校验系数为2.78，大于1；然而，在1#梁跨中位置最大正弯矩的工况下， 1～10#梁C-C截面的校验系数为0.57～1.05之间，表明该测试截面的结构整体受力性能能满足设计荷载正常使用的要求。荷载卸除后，该桥跨测试截面的实测残余应变较小，符合相关规范要求。此外，1#、2#梁校验系数接近于1，表明桥梁部分梁体安全储备较小，梁体性能有所降低。

3 动态特性分析

动载试验主要用于综合了解结构自身的动力特性以及结构抵抗受迫振动和突发荷载作用的能力，以判断结构的实际工作状态和实际承载能力，同时也为使用阶段结构评估积累原始数据[3]。

本次动载试验采用单辆试验载重汽车以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h的速度在6#～8#梁之间的桥面上行使，测量桥梁结构在行车状态下的动应变、冲击系数，分析桥梁的自振频率和阻尼特性，动应变观测位置位于桥梁中心的5#和7#梁。

3.1 自振频率和阻尼特性

在大桥边跨的一阶竖向自振频率实测值分别为2.26～3.13Hz，其均值为2.87，与计算频率的比值分别为0.94～1.31，其均值为1.20，平均结构自振频率试验值略大于计算值，表明结构实际刚度大于计算刚度。

跑车试验在10～60km/h所测得一阶竖向振型的阻尼比为0.01～0.05，在正常范围0.01～0.08之间，但是桥梁的阻尼比较大，表明桥梁性能衰退，整体性不强[4，5]。

3.2 行车动力响应

10km/h～40km/h跑车试验，5#和7#梁C-C截面的应变增大系数（1+？滋）为1.09～1.16，其实测结构动力增大效应小于设计规范取值（1+？滋=1.16），然而在60km/h跑车试验中，5#和7#梁C-C截面最大实测结构动力增大效应（1.25、1.26）均大于设计规范取值，说明桥梁在60km/h动态荷载作用下的动态响应大于设计值，动荷载实际产生的冲击作用比规范考虑的要大[6，7]。

4 结束语

桥梁C-C截面的校验系数为0.5～1.05之间，表明该测试截面的结构整体受力性能能满足设计荷载正常使用的要求。

本桥挠度校验系数处于正常范围之内，在试验荷载作用下，最大挠度小于设计控制值，满足规范要求；桥梁主要控制点均小于20%控制值，结构刚度符合设计荷载要求。

在大桥边跨的一阶竖向自振频率实测值均值为2.87，大于计算值，表明结构实际刚度大于计算刚度；跑车试验测得一阶竖向振型的阻尼比为0.01～0.05，处于正常范围0.01～0.08之间。

参考文献：

[1]交通部第二公路勘察设计院.公路旧桥承载能力鉴定方法：试行[M].人民交通出版社，1989.

[2]杨开生.吉林市江南大桥检测与荷载试验[J].黑龙江交通科技，2010，33（6）：109-110.

[3]皇星星，陈艳阳，杨军凯，等.某黄河公路大桥检测与养护加固浅析[J].低温建筑技术，2015，37（6）：77-79.

[4]冯振兴，曾晓茜.西溪河大桥检测与评估[J].中国水运（下半月），2014，14（7）：268-270.

[5]张劲泉.我国公路桥梁承载能力检测评定技术的现状与发展[Z].2005中外桥梁病害诊治大会，2005：19-21.

[6]王国鼎，袁海庆，陈开利.桥梁检测与加固[M].人民交通出版社，2003.

[7]李有丰，林安彦.桥梁检测评估与补强[M].机械工业出版社，2003.