某大跨径连续刚构桥梁的荷载试验

杜腾达，王 芳

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

桥梁在现代交通中发挥着重要作用、占有着重要地位。其中，连续刚构桥梁能克服恶劣的地理环境，被广泛地应用于各个地区[1]。但随着桥梁的发展，桥梁施工难度不断提高，普通连续刚构桥难以适应复杂状况，而特大连续刚构桥梁在施工质量、结构安全等方面易出现安全隐患[2]。为了确保特大桥梁结构的质量安全，需要对已建的特大桥梁结构进行评估[3-4]。荷载试验包括静载试验和动载试验，可分别测试出静载工况下各控制截面的应力状态和整体挠度情况、动载工况下桥梁的行车响应和自振频率[5-6]，以确定桥梁整体受力性能和工作状态是否符合使用的要求，为后续桥梁的发展提供准确的试验数据[7]。本文章以某新建跨江特大桥为研究对象，根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)对其进行动静载试验，以评价该桥在试验荷载作用下的状况，为相似桥梁的建设和维护提供参考。

1 工程概况及有限元模型

1.1 工程概况

某省高速公路特大桥梁的跨径为(30×2)+95+180+95+(6×30) m的刚构桥梁，全长610 m，主梁为分幅式单箱单室截面，大桥面宽为0.5 m(栏杆)+11.25 m(行车道)+0.5 m(栏杆)=12.25 m，底板宽度为6.5 m，梁高为3.6～9.5 m，下部结构为双墩式圆柱墩，桩基础，主桥部分为(95+180+95)m连续刚构，最大桥高50 m。设计荷载为公路-Ⅰ级，设计车速为80 km/h。主桥布置图如图1所示。

图1 主桥布置图

1.2 有限元模型

根据设计图纸、监测资料和相关规范，通过 Midas/Civil 分析软件对新建的大跨度连续刚构桥梁进行有限元分析[8]。本桥模型共有170个节点、160个单元。桥梁边界条件：在边跨位置采用活动支座，对X和Y方向的平动和转动约束进行释放，将Z方向的平动进行约束，而Z方向的转动释放。在桥墩的底部采用固定支座进行固结，约束节点的平动和转动。主梁和桥墩之间进行刚性连接，各方向的平动和转动进行约束。具体的模型参数见表1。

表1 模型参数

2 静载试验及其分析

2.1 静载试验原理与方法

静载试验指将荷载作用在指定的桥跨和截面，通过设计的试验方案，对桥梁的应变、挠度等数据进行测量，以荷载效率和校验系数对桥梁的工作性能和承载能力进行判断。根据软件计算结果，在对应截面的最不利内力位置布置荷载，同时根据荷载效应等效原则和相关规范规程，使试验荷载效率满足0.95≤ηq≤1.05。

2.2 测试截面的选择

根据混凝土连续刚构桥形式和受力特点，通过Civil模拟计算，按照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)和桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级，确定施加的理论荷载，得到桥梁结构的活载内力包络图如图2所示，最小位移等值线图如图3所示，进而确定加载工况。静载试验加载工况见表2。由图2可确定3个主要控制截面，即14#～15#跨最大正弯矩，15#墩顶处最大负弯矩，15#～16#跨最大正弯矩，分别对应图1中的 K1，K2，K3 三个截面。

图2 桥梁结构的活载内力包络图

图3 桥梁结构的最小位移等值线图

表2 静载试验加载工况

2.3 试验荷载及其布置

采用三轴加载汽车加载。在有限元分析软件中，将车辆转化为集中荷载。试验开始前，确保每一辆车符合试验加载要求，误差在5%范围，以保证在静载试验中各车辆参数没有明显变化。46 t汽车相关参数见表3。

表3 46 t汽车相关参数

根据该桥的结构形式，确定静载试验中现场桥梁各测量点位置，在14#至17#跨中最大负弯矩和最大正弯矩处布置应变和挠度测量点。采用无线静态应变采集器DH3819测试应变，每个截面布置6个应变片(N1～N6)，采用DINI电子水准仪测试挠度，沿桥面横向左右中分别布置3个(S1～S3)。测量点布置图如图4所示。

各控制截面(如图1所示)由内力包络图所定，通过 Civil 模拟计算，根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)[9]得出检测截面影响线(图5～图7)，进而确定荷载加载位置，使得各截面的加载效率为0.85～1.05。

(a) k1、k3截面示意图 (b) k2截面示意图

图5 K1-K1 内力影响线图

图6 K2-K2内力影响线图

图7 K3-K3内力影响线图

确定现场加载车辆方式：K1-K1截面达到加载效率需要 6辆46 t加载车沿14#～15#跨最大弯矩处布置，两级逐级加载，分为4辆+6辆两排车以4 m间距布置；K2-K2截面8辆46 t加载车，分两排三级逐级加载，分为4辆+6辆+8辆每排间距为4 m；K3-K3截面6辆46 t加载车，两级逐级加载，分为4辆+6辆分两排以4 m间距布置。

2.4 试验荷载效率结果及分析

根据影响线确定6种具体试验工况，得出各工况下的截面弯矩，将有限元计算得到的理论值与试验得到的实际值进行数据对比分析，得出试验荷载效率。控制截面弯矩及试验荷载效率见表4，由表4知试验荷载效率在1.03～0.96范围内，满足相关规范0.95≤ηq≤1.05的要求。

表4 控制截面弯矩及试验荷载效率

2.5 应变测试结果及分析

选取各工况下截面，经现场实际测试，获取试验数据，准确得出相对应的应变值，计算出残余变形和应变校验系数η。各截面的应变分析结果见表 5。

表5 各截面的应变分析结果

由表5可知，14#～15#和15#～16#桥跨所对应的测试截面K1-K1,K2-K2,K3-K3，在荷载工况作用下，应变理论值大于实测值。各工况作用下，应变验系数均在0.61～0.82内，相对残余应变均在0～12.4%内，相对残余应变均小于20%，各项测试结果规律正常。

2.6 挠度测试结果及分析

选取14#～15#和15#～16#桥跨所对应的加载工况1，2，5，6，经现场实际测试，获取试验数据，将实测值与计算值对比，计算得出挠度校验系数η。截面挠度数据见表6。由表6可知，在14#～15#和15#～16#桥跨所对应的加载工况1，2，5，6，挠度校验系数和相对残余变形分别为1.6%～8.6%和0.57～0.75，相对残余变形均小于20%，均小于对应的理论值，表明所测刚度满足要求。

表6 截面挠度数据

2.7 裂缝测试结果及分析

试验前对14#～17#跨进行裂缝检查，各截面结构良好，没有裂缝，桥梁状况良好。静载试验后，各截面也没有开裂情况存在。

3 动载试验及其分析

3.1 动载试验原理与方法

动载试验是分析桥梁的动力特性参数在动荷载试验下的变化规律，包括阻尼比、频率、振型、冲击系数，得出桥梁结构安全状况，判断是否满足承载能力需求，最终将实测数据和理论数据进行对比[10]。试验主要分为自振特性试验和行车激振试验，行车激振试验测试点布置在15#～16#的K3-K3截面(跨中)，采用DH3817动态应变测试系统，测得动应变时程曲线，对所得数据进行分析，得出活载冲击系数。动载试验工况见表7。

表7 动载试验工况

自振特性试验常用脉动法。在14#～15#跨支点附近设置固定测点，14#～15#跨L/4截面处设置移动测点，15#～16#跨和16～17#跨L/4截面处设置固定测点，14#～17#跨L/2截面处和3L/4截面处均设置移动测点，通过DASP采集分析系统，得到振型相关参数。

3.2 动力响应测试结果及分析

在15#～16#桥跨进行行车激振试验，得到时程曲线，分析相关试验数据，得出实际冲击系数。各工况下实际冲击系数见表8。由表8可知，无障碍行车工况下冲击系数为0.10～0.13，工况1的值最大为0.13；有障碍行车工况下冲击系数为0.17～0.24，工况4的值最大为0.24，冲击系数相对较小，桥面平整度满足设计要求。

表8 各工况下实际冲击系数

3.3 自振特性测试结果及分析

经现场实际测试，获取试验数据，得出桥梁的振动频率和阻尼比。实测自振特性见表9，横向一阶振型与对应的一到三阶竖向振型如图8所示。由表 9和图 8 可知，各振型实测值大于理论值，竖向刚度大于横向刚度，说明桥梁结构扭转刚度较好。且实测阻尼比属正常范围，桥梁耗能能力良好。

表9 实测自振特性

(a) 横向一阶振型

(b) 竖向一阶振型

(c) 竖向二阶振型

(d) 竖向三阶振型

4 结论

1)在静载试验中，荷载效率为0.96～1.03，符合规范要求，各测量点应力值与挠度值均小于理论计算值，应变校验系数为0.61～0.81，挠度校验系数为0.57～0.75，表明该桥梁的弹性性能满足要求；最大残余应变为12.4%，最大残余变形8.6%，满足规范小于20%的要求，表明桥梁结构强度和承载能力满足设计要求。

2)在动载试验中，实测桥梁结构阻尼比小于理论阻尼比，表明桥梁结构具有良好的阻尼比，能显著减少结构的振动反应；桥梁结构在无障碍行车的冲击系数为0.10～0.14，有障碍行车的冲击系数为0.17～0.24，说明可以满足行车舒适需求；频率实测值大于理论值频率，桥梁刚度满足要求；竖向振动频率大于横向振动频率，桥梁难以出现扭转变形，扭转刚度符合规范要求。

3)该桥承载能力及工作状况符合设计要求，且施工质量良好，桥梁可以交付使用。