钢混混合梁连续刚构桥静载试验

■马 芳

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

荷载试验能够检测结构病害受损范围及程度，提供桥梁劣化程度信息，从而判断劣化形成原因及其对桥梁构件的影响程度。 根据静载试验的结果，可对实际桥梁的强度和刚度进行定量判断，直观了解实际结构的承载力富裕度。 同时，静载试验还能反映桥梁的实际与理论工作状态的一致程度，验证理论计算的可靠性。 因此，本文以海西高速公路网泉厦漳城市联盟路泉州段安海湾特大桥为例，通过Midas/Civil 有限元分析软件，建立了全桥杆系结构模型， 并根据分析结果制定了静载试验方案，通过现场静载试验，对比理论结果与实测结果，判别了桥梁的工作状态。

1 桥梁概况

安海湾特大桥为（135+300+135）m 钢混混合梁连续刚构桥，中跨钢箱梁吊装段长度为103 m，其余段为混凝土结构。 桥梁全长570 m， 单幅桥面宽16.25 m，横断面布置为0.5 m（护栏）+15.25 m（行车道）+0.5 m（护栏）=16.25 m；下部结构主墩采用双薄壁式实心墩，钻孔灌注桩群桩基础；上部结构采用C55 海工耐久混凝土， 钢箱梁部分采用Q235qD 钢板，下部结构桥墩采用C50 海工混凝土；设计荷载等级为公路-I 级，设计速度为100 km/h。

2 有限元分析模型

结构静力计算采用Midas Civil 有限元程序，建立空间模型进行分析计算， 全桥共建立299 个节点、284 个单元，计算模型如图1 所示。 本桥桥面宽为16.25 m，采用单梁模型可满足试验精度要求。 在钢混结合段处理时按钢结构截面梁单元模拟。 刚构桥应建立桥墩和承台，承台底部固结。 其余边界条件按设计提供的边界条件进行布置。 对于钢箱梁段，应根据JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》[3]相关条文考虑有效分布宽度的影响。

图1 有限元分析模型

3 静力荷载试验方案

3.1 试验工况

依据JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》[1]及JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》[2]进行静载试验监测，内容包括桥梁静载应变和桥梁静载挠度。 结合桥梁的设计和现场状况， 选取左幅桥132#跨、133# 跨及133# 墩作为静载试验研究对象，如图2 所示。 其中，1-1 截面为边跨最大正弯矩截面、3-3 截面为支点负弯矩截面、2-2 截面为中跨最大正弯矩截面。 在确定静载试验加载工况时，应符合以下原则：（1）满足桥面板等构件局部受力的前提下，用较少的加载车辆达到规范要求的荷载效率，但应该满足加载分级的要求；（2）充分利用有限元软件的加载模块，在满足试验荷载效率以及能够达到试验目的前提下尽可能合并加载工况，缩短试验时间；（3）每加载一工况的设置应保证全桥其他构件响应均不超限。

图2 静力荷载试验工况

综上所述，根据安海湾特大桥左幅主桥的结构特点及理论计算的内力包络图确定静载试验工况如下：（1）工况一：左幅132# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的应力和挠度；（2）工况二：左幅132# 跨最大正弯矩中载作用下的应力和挠度；（3）工况三：左幅133# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的应力和挠度；（4）工况四：左幅133# 跨最大正弯矩中载作用下的应力和挠度；（5）工况五：左幅133# 墩支点负弯矩左侧偏载作用下的应力； 荷载试验工况采用最不利受力原则即偏心加载。 本次静力荷载试验采用8 部34 t 和6 部28 t 共计14 部重型卡车进行加载，荷载试验效率为0.87～0.99，满足JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》规定的0.85～1.05 要求。

3.2 测点布置

静载试验测点布置包括应变测点和应力测点。通过应变测试值与理论应变值的比较，并综合挠度测试结果与理论挠度结果分析，判断桥梁截面刚度是否达到设计要求、是否满足使用要求。 在各测试截面的桥面布置精密水准仪进行荷载试验过程中挠度的观测。 各工况的应变、 挠度测点布置如图3所示。

图3 各工况应变及挠度测点布置及编号

3.3 加载流程

正式加载前，应先采用一辆加载车在主梁的跨中进行预加载，以观察结构的响应，保证试验安全。预加载持荷时间为20 min。预加载可减少非弹性变形对结果的影响，同时，使结构进入正常的工作状态。 预加载完成后，应卸载至零载并持续一段时间。正式加载应在结构充分零荷载恢复后进行。

正式加载应采用分级加载，每级加载的持续时间为5 min，并观察仪器读数是否相对稳定。应在结构零荷恢复后，进行读数并进入下级加载。 对于同一级荷载，可以结构最后5 min 内的位移增量作为相对稳定的标志，即最后5 min 的位移增量小于前一个5 min 增量的5%。亦可用最后5 min 的位移增量小于所用测量仪器的最小分辨率值作为相对稳定的标志。 同时，应观测控制截面的应变和位移响应，若结构响应在最大试验荷载前提前达到或超过理论值，应终止加载并分析原因。

4 静载试验数据分析

4.1 挠度数据分析

试验荷载作用下，理论及实测安海湾特大桥左幅主桥各挠度测试点挠度曲线分别见图4～7。其中，测点1#、2#、3#、4#、5#的位置，详见图3。 根据荷载试验结果， 卸载后的相对残余挠度绝对值在0～17.6%之间，满足《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定，说明桥梁构件处于弹性工作状态。

图4 工况一：左幅132# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的挠度曲线

4.2 梁底应变数据分析

在荷载作用下，理论及实测安海湾特大桥左幅主桥各测试截面梁底各测点的应变如图8～12 所示。 同时，卸载后的相对残余应变绝对值在0.8%～17.7%之间，满足《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定，说明桥梁构件处于弹性工作状态。

图5 工况二：左幅132# 跨最大正弯矩中载作用下的挠度曲线

图6 工况三：左幅133# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的挠度曲线

图7 工况四：左幅133# 跨最大正弯矩中载作用下的挠度曲线

图8 工况一：左幅132# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的应变曲线

图9 工况二：左幅132# 跨最大正弯矩中载作用下的应变曲线

图10 工况三：左幅133# 跨最大正弯矩左侧偏载作用下的应变曲线

图11 工况四：左幅133# 跨最大正弯矩中载作用下的应变曲线

图12 工况五：左幅133#墩支点负弯矩左侧偏载作用下的应变曲线

4.3 腹板应变数据分析

试验荷载作用下，相应工况荷载作用下测点应变值沿截面高度变化规律如图13 所示，由此可知，实测边跨各荷载工况作用下截面中性轴位置（较理论值）略偏上。

图13 边跨测点应变沿截面高度的变化规律

4.4 静力荷载试验结论

通过安海湾特大桥现场荷载试验，并对试验现象、数据和结果进行分析，可得到如下结论：（1）荷载卸零后各挠度测点的相对残余变形绝对值位于0～17.6%之间，满足《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定， 说明桥梁构件处于弹性工作状态；（2）荷载满载，荷载效率满足规范要求，各挠度测点实测挠度值小于理论计算值，满足《公路桥梁荷载试验规程》中的要求；（3）荷载卸零后各应变测点的相对残余应变绝对值在0.8%～17.7%之间，满足《公路桥梁荷载试验规程》中小于20%的规定，说明桥梁构件处于弹性工作状态；（4）荷载满载，荷载效率满足规范要求，各应变测点的实测应变值小于理论计算值，满足《公路桥梁荷载试验规程》中的要求。（5）由应变和挠度数据可知，实测数据均小于理论数据，且有较大的富余，说明由于实际钢筋混凝土材料两种材料共同受力的复杂性，使得截面的实际刚度大于理论刚度，桥跨结构总体刚度满足设计要求；（6）实测边跨各荷载工况作用下截面中性轴位置（较理论值）略偏上，是由于桥面铺装、二期等引起；（7）由挠度曲线可见，同一截面各测点挠度有偏差，是由于截面扭转引起。但相较于16 m 桥宽而言，左右两侧测点位移偏差较小（仅毫米级），可见，对于桥宽较窄的桥梁，扭转效应并不显著，采用单梁模型建模即可满足要求。

5 结语与建议

钢混混合梁连续刚构桥由于主跨采用大节段钢箱梁，大幅度减轻了桥梁自重，增加了主跨跨径长度，但是桥梁结构受力复杂，钢混结合段的施工质量对于桥梁结构耐久性、 刚度变得尤为重要；对于该种结构桥梁应定期进行荷载试验，了解桥梁结构实际工作状态。 在常规的荷载试验模型中，钢混混合梁连续刚构桥钢混结合段只需按照正常的梁单元去模拟即可，如果要计算混合段细部应力结果建议采用Midas FEA 进行更准确的分析。