某连续刚构桥荷载试验分析

鹿俊杰，赵 青

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

荷载试验是评估桥梁能否投入使用的检验评定手段，在既有桥梁和新建桥梁中有着广泛的应用和研究，理论方法已经趋于成熟[1].荷载试验能科学地评估桥梁结构性能及承载能力，对桥梁的安全检测至关重要，是判断其能否安全运营的重要手段[2-3].荷载试验不仅能了解桥梁工作状况等，更重要的是能验证理论计算结果的科学性.同时，荷载试验也为桥梁后期投入使用的管理和养护提供重要数据参考和理论依据[4-5].本文以某连续刚构桥为例，用荷载试验和有限元软件分析相结合的方法，判断该桥梁能否安全稳定的运营，也为其后期管理和养护提供参考和理论依据.

1 工程概况

某城市连续刚构桥是上部结构为(85+150+85)m 的3跨连续梁桥，桥梁的总长度为320 m，主跨长度为150 m.大桥采用单箱单室结构，其桥宽为12.25 m，两边对称设置0.5 m的栏杆，中间是11.25 m的行车道.设计荷载为公路-Ⅰ级；设计车速80 km/h.其下部结构分别采用规格为8.5 m×1.6 m的2根矩型柱墩、17 m×4 m重力式矩形承台、2.5 m×2 m桩基础.箱梁考虑承载能力的要求采用 C55混凝土，墩柱考虑抗压能力要求采用C40混凝土.

2 模型建立

2.1 有限元模型

应用有限元软件Midas/Civil建立计算模型，该模型共有467个节点、156个单元.计算模型如图1所示.

图1 有限元计算模型

2.2 测试截面

为制定后续荷载试验方案，通过模型模拟出设计荷载下大桥的弯距包络图，如图2所示.同时也要参考活载下大桥的最小位移等值线图的情况，如图3所示.测试截面的选取决定了荷载试验的最终结果，通常选取最不利状态位置.通过观察弯距包络图的特点，最终分析得到3个测试截面，分别为：第1跨最大正弯矩截面K1、主墩墩顶最大负弯矩截面K2、第2跨跨中截面K3.该3个测试截面如图4所示.

图2 设计荷载下弯距包络图(单位：N·mm)

图3 活载下最小位移等值线(单位：mm)

图4 测试截面

2.3 试验荷载工况

根据桥梁结构特点分为3个试验工况：第1跨最大正弯矩工况(工况1)；墩顶最大负弯矩工况(工况2)；第2跨最大正弯矩工况(工况3).3个试验工况皆为对称加载，测试内容分别为：工况1测试挠度和应变；工况2只测试应变；工况3测试挠度和应变.

2.4 桥梁特征值分析

通过有限元模型分析得出结构特性值，共计3阶振型，如图5所示.由图5可得：3阶振型频率分别为f1=0.478 Hz、f2=0.887 Hz、f3=1.188 Hz；周期分别为T1=2.091 s、T2=1.128 s、T3=0.842 s.

(a) 1阶振型

(b) 2阶振型

(c) 3阶振型图5 不同振型结构特性值(单位：N·mm)

3 静载试验

3.1 测点布置

静载试验是指在设计好的位置布置静止荷载的试验，是最直接的一种试验方式，可以直接通过设备收集到结构的挠度和应变等[6-8].通过实测的数据分析出试验效率和校验系数的取值范围，结合相应的规范作出定性的判断[9-11].静载试验下应变测点分别在3个测试截面箱梁内部均匀安置10个测点位置.在测点位置上粘贴电阻应变片，在粘贴过程中要和受力方向相同.而挠度测点分别在相应测试截面顶部表面均匀安置3个.测点布置如图6所示.

图6 测点布置

3.2 试验荷载及其布置

加载车辆单重为460 kN，试验荷载采用对称加载方式，4排2列，一共采用8辆车进行加载.试验采用逐级递加的加载方式，一共分为3级，第1级布置2辆加载车，第2级布置4辆加载车，第3级布置8辆加载车.

3.3 静载试验数据

3.3.1 试验荷载效率分析

用8台单重460 kN的加载车辆作用在3个试验工况截面上，获取实测内力.然后根据理论内力和实测内力计算出相应的试验效率，如表1所示.由表1可知，试验效率范围在0.93～1.02之间，可以得出试验较为真实地反映了荷载作用下结构的受力性能.

表1 试验荷载效率

3.3.2 挠度分析

测试截面所得的实测挠度值是由弹性挠度和残余挠度组成，与理论值的分析比较情况见表2所示.由表2可知，工况1下挠度校验系数在0.56～0.63范围内，工况3下挠度校验系数在0.58～0.71范围内，由以上数据可以得出桥梁结构刚度符合设计安全要求.

表2 挠度结果评定

3.3.3 应变分析

在不同工况下，不同截面所测得的实测应变值与理论值情况如表3所示.其中应变的实测值由弹性应变和残余应变组成.由表3可知：工况1下应变校验系数在0.67～0.80范围内；工况2下应变校验系数在0.63～0.76范围内；工况3下应变校验系数在0.65～0.81范围内.由以上数据可以得出桥梁结构强度符合设计安全要求.

表3 应变结果评定

4 动载试验

4.1 测试截面

动载试验采用车辆振动理论，相比静载试验更能真实地反应桥梁后期投入使用的承载力情况.试验分自振特性试验和有无障碍行车情况下的试验，共计3个试验.其中自振特性试验测试自振频率等固有振动特性，有无障碍行车2种情况下的试验都是使用1辆测试车在桥中轴线上行驶所产生的动力特性和动力响应.通过实测的数据分析出振型频率和冲击系数的取值范围，结合相应的规范作出定性的判断.动载试验选取第1跨最大正弯矩截面K1，第2跨最大正弯矩K3截面，即2跨截面进行试验.

4.2 测点布置

根据连续刚构桥的结构特点和动载试验要求，自振特性试验沿桥跨长度方向上对称布置测点.而有、无障碍行车2种情况下的试验分别在第1跨最大正弯矩截面K1、第二跨最大正弯矩K3截面箱梁内部的顶部及底部各对称放置2个动应变测点.

4.3 动载试验数据

4.3.1 自振特性

通过理论计算结果已经得出3阶振型频率分别为f1=0.478 Hz、f2=0.887 Hz、f3=1.188 Hz，然后根据动载试验收集到3阶振型频率的实测值分别为f1=0.651 Hz、f2=1.134 Hz、f3=1.426 Hz.频率比值和阻尼比如表4所示.

表4 频率比值和阻尼比

4.3.2 无障碍行车

无障碍行车试验测试K1、K3截面在加载车辆车速为20、40、60 km/h下的冲击系数，冲击系数情况见表5.通过表5发现：K1截面真实测得的冲击系数分布在0.122～0.311范围内；K3截面真实测得的冲击系数分布在0.043～0.049范围内；实测值在理论值0.050左右波动，属于正常现象.

表5 无障碍行车下冲击系数

4.3.3 有障碍行车

有障碍行车试验测试K1、K3截面在加载车辆车速为5、10、15 km/h下的冲击系数，冲击系数情况见表6.通过表6发现：K1截面真实测得的冲击系数分布在0.648～0.986范围内；K3截面真实测得的冲击系数分布在0.131～0.172范围内；实测值皆大于理论值0.050，表明较无障碍行车试验相比影响更大，但是冲击系数都在安全范围内.

表6 有障碍行车下冲击系数

5 结论

1) 静载试验中，分析得出试验效率范围在0.93～1.02之间，表明静载试验较为真实地反映了荷载作用下结构的受力性能.工况1和工况2下挠度校验系数在0.56～0.71范围内，工况1、工况2和工况3下应变校验系数在0.63～0.81范围内，表明结构处于弹性阶段，符合设计安全要求.

2) 动载试验中，对比得出实测自振频率都较大，表明结构实际刚度较大，振动能力较强.有、无障碍行车2种试验情况下得到的冲击系数都在安全范围内，表明结构动力性能很好.

3) 通过试验分析表明，该桥具备很好的刚度，满足设计标准，符合安全使用要求.