大跨度连续刚构桥荷载试验方案分析

朱清航（中铁城际规划建设有限公司 辽宁分公司，辽宁 沈阳 110004）

引言

桥梁荷载试验是必须的安全检测手段，可以为桥梁的结构性能及承载能力进行科学有效地评估，提供直观有力的依据，并且为桥梁后期的养护以及健康监测等积累技术资料［1］，因此桥梁荷载试验是桥梁在正式投入运营之前必不可少的步骤［3-4］。桥梁荷载试验检测的首项任务是科学合理地制定荷载试验方案，从而全面评价桥梁的安全性能［6］。根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）［9］新建桥梁可通过荷载试验来检验桥梁结构的正常使用状态和承载能力是否符合设计要求［7］。

大跨度连续刚构桥具有T型刚构桥的无支座支撑，同时具有连续梁桥的无伸缩缝使得行驶平稳等优点［8］。

1 工程概况

跨河桥梁分左右两幅，主跨桥孔布置为80 m+150 m+80 m大跨度连续刚构桥，总长310 m，主跨150 m。上部结构采用预应力混凝土连续刚构，下部结构采用空心薄壁墩、承台桩基础，桥面宽度12 m双向四车道（0.5 m（护栏）+11 m（车行道）+0.5 m（护栏）），最大桥高107 m。桥墩墩身采用C50混凝土，承台及基础采用C30混凝土，上部箱采用C50混凝土。支座采用盆式橡胶支座，伸缩缝采用模数式型钢伸缩装置。根据规范［9］要求连续刚构桥静载测试截面边跨最大正弯矩截面应力及挠度（1-1）、主跨墩顶截面主梁应力（2-2）、主跨最大正弯矩截面应力及挠度（3-3）。测试截面计桥型布置见图1。

技术标准及指标：公路等级：高速公路;设计荷载等级：公路-I级；设计行车速度：80 km/h。

图1 桥型布置（cm）

2 模型计算

2.1 模型建立

在CAD中建立截面尺寸后，导入Civil建立变截面组见图2，箱梁梁高度按1.75次抛物线变化，0#块、合拢段截面后建立变截面组，完成后将变截面组转化为变截面，以利于提取截面应力。静力试验荷载加载方式是采用单辆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，见图3。

图2 变截面组设置界面

图3 Civil模型

2.2 桥梁特征值分析

刚构桥振型测量前三阶，刚构桥前三阶均为竖向振型。对于竖向振型，刚构桥单幅桥布置20个测点，测点布置在中心线处，其中主跨布置于8分点，边跨布置于4分点，在Midas Civil 2015中通过对自重、二期换算荷载转化为质量，然后对结构特征值分析，计算出桥梁结构的基频，提取振型图，根据基频按照现行《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60-2004）4.3.2条公式计算冲击系数，计算结果见表1。三阶振型见图4。

表1 冲击系数计算

图4 1～3三阶振型

2.3 各截面控制内力

测试截面静载作用最大弯矩分别为1-1截面24 622.2 kN/m、2-2截面79 686.9 kN/m、3-3截面21 940.4 kN/m。各截面最不利荷载作用下，1-1截面最大应变为40 με，最大挠度7.51 mm；2-2截面最大应变为-18 με；3-3截面最大应变为68 με，最大挠度20.59 mm。

3 结构分析

3.1 加载车辆

采用三轴加载汽车（重350 kN）加载，三轴加载汽车轴重为前轴重70 kN，中后轴重280 kN，轴距为中后轴距1.4 m，中前轴距4.0 m，见图5。在方案设计中将车辆转化为集中荷载加载与结构上进行确定加载车辆数量及位置。试验前对每辆车进行配重，使加载车轴重达到试验要求，要求加载车轴重误差处于±5%范围内，且保证在试验过程中不会发生明显的变化，对每辆车编号。

主梁应力控制截面混凝土表面应力（应变），拟采用在混凝土表面粘贴标距为80 mm、阻值为120Ω的应变片，配JM3812数据采集分析系统进行测量。主梁控制截面桥面挠度的测量拟采用电子水准仪（配铟钢尺）进行测试。

图5 试验采用加载车辆（cm）

3.2 加载效率

根据规范［9］规定静载试验荷载效率宜介于0.85～1.05之间，无障碍行车试验荷载效率不应超过1。采用影响线加载确定加载位置。加载效率见表2。

表2 各截面静载控制弯矩及试验荷载效应

通过表2可得，静载加载效率值在0.91～1.01范围内，均符合规范［9］要求，以此为加载方案。截面静载工况下应变值见表3。

表3 各截面静载工况下应变值

4 方案确定

4.1 测点布置

刚构桥箱梁箱内布置10个应变测点，顶板3个、底板3个、每侧腹板2个。桥面每截面横向等距离布置3个挠度测点，测点布置见图6（a）、脉动测点1个布置在桥面见图6（b）。

图6 挠度、应变、脉动测点布置（mm）

4.2 试验荷载

通过Civil模拟计算，得出检测截面影响线，见图7。根据影响线进行加载，使得各截面的加载效率在0.85～1.05之间。

图7 1～3三阶振型

图8 1～3截面加载位置

根据影响线试算得到静载试验荷载加载车辆：1-1截面达到加载效率需要6辆35 t加载车沿边跨最大弯矩处以对称布置，两排车以4 m间距布置，见图8（a）；2-2截面8辆35加载车，分三排，每排间距为5 m，见图8（b）；3-3截面6辆35 t加载车，分两排以5 m间距布置，见图8（c）。

4.3 试验结果及分析

在进行正式加载试验前，用两辆载重加载车分别对测试对象各跨跨中进行横桥向对称的预加载，预加载试验每一加载载位的持荷时间为20 min。

预加载后卸载，并在结构得到充分的零荷载恢复后，才可进入正式加载试验，进行初始读数，且应进行分级加载原则。采用三级加载原则，得到试验过程控制截面应变值结果，见表4。

表4 各截面静载控制应变测试结果（με）

试验荷载作用下，连续刚构桥的应变校验系数在0.62～0.83之间；卸载后整体应变恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变均在20% 范围内。相对残余变形最大为0.08%，表明桥梁处于弹性工作范围，且桥梁结构整体工作性能良好。

5 结语

（1）进行建模分析，调整结构自振频率，根据最不利原则定出控制截面，以及按规范［9］定出截面测点。（2）根据影响线以及加载效率定出加载过程中所需车辆及车辆位置。（3）将车辆荷载转化为集中力作用在结构中，得出控制截面加载效率，从而得出现场荷载试验时加载车辆位置。

通过此方法定出桥梁荷载试验方案后进行现场静力荷载试验，得到连续刚构桥的应变校验系数在0.62～0.83之间，规范［9］规定预应力混凝土梁桥校验系数在0.60～0.90之间，符合要求。主要控制点的相对残余变形最大为0.08%，结构处于弹性工作状态，因此方案确定较为合理。