连续梁桥静动载试验研究

张文光

摘 要：为了评价在役桥梁的承载能力和技术状况，检验其实际状态和工作性能，本文对某预应力混凝土连续箱梁桥进行静动载试验分析。其间通过静载试验测试各控制截面的应力状态和挠度变形，通过脉动试验、无障碍行车试验和刹车、跳车试验研究桥梁的自振特性和阻尼比，分析不同车速、不同车况下结构的冲击系数，并依据相关规范对静动载试验结果进行评价。动静载试车分析表明，该桥的承载能力满足要求，具有一定的安全储备，结构处于良好的工作状态，可以继续正常使用。

关键词：预应力混凝土;连续箱梁桥;静动载试验

中图分类号：U446.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0108-03

Abstract： In order to evaluate the carrying capacity and technical condition of the in-service bridge， and test its actual state and working performance， this paper conducts static and dynamic load test analysis on a prestressed concrete continuous box girder bridge.In the meantime， the stress state and deflection deformation of each control section are tested through static load test， and the natural vibration characteristics and damping ratio of the bridge are studied through pulsation test， obstacle-free driving test and braking and jumping test， and the impact coefficient of the structure under different vehicle speeds and different vehicle conditions is analyzed， and the static and dynamic load test results are evaluated according to relevant specifications. The analysis of the static and dynamic load test shows that the bearing capacity of the bridge meets the requirements， has a certain safety reserve， and the structure is in good working condition and can continue to be used normally.

Keywords： prestressed concrete;continuous box girder bridge;static and dynamic load test

随着桥梁服役时间的增加，桥梁结构会出现不同程度的损伤和病害，严重影响桥梁的承载能力和安全运营[1]。为了检验在役桥梁的受力状况和承载能力是否符合设计要求，为后续养护和维修提供理论依据，要对桥梁进行荷载试验，将试验结果作为结构性能是否达到设计要求的重要指标[2]。桥梁荷载试验包括静载试验和动载试验，通过对桥梁施加相当于设计荷载的试验荷载测试桥梁控制截面的力学特性和动力响应，是一种鉴定桥梁承载能力、评价桥梁现状的重要手段[3-4]。現有桥梁荷载试验研究在静载试验中通过控制截面的应力、应变和挠度校验系数来评价桥梁的承载能力，通过测点的相对残余应变来评价桥梁的弹塑性工作状态;通过动载试验中结构的固有频率、阻尼比、冲击系数等评价桥梁的动力特性[5]。本文以某在役预应力混凝土连续箱梁桥为工程背景，开展静载试验和动载试验，分析桥梁的强度、刚度、动力响应等技术指标，评价结构的承载能力和工作性能，为后续桥梁的养护和维修提供理论依据。

1 工程概况

某桥梁中心桩号为K25+936.00，主桥为47 m+80 m+47 m预应力混凝土连续箱梁。桥面宽度为0.500 m（防撞护栏）+15.197 m（行车道）+0.606 m（中央分隔带护栏）+15.197 m（行车道）+0.500 m（防撞护栏）。主桥下部结构桥墩采用薄壁墩，基础采用承台接桩基，桩径为1.6 m。主跨过渡墩柱径为1.8 m，桩径为2.0 m。荷载设计为公路-Ⅰ级。桥型布置如图1所示，数据单位均为厘米（cm）。

2 静载试验

2.1 试验截面与测点布置

2.1.1 试验截面布置。通过有限元软件Midas/Civil对主桥进行结构静力分析，依据计算所得的活载内力包络图和挠度包络图，确定结构的最大弯矩截面和最大挠度截面，由此确定试验测试截面。根据分析选定桥梁测试截面，其分别为10#～11#墩跨中截面（A-A）、11#墩墩顶附近截面（B-B截面）、11#～12#墩跨中截面（C-C截面）。试验截面布置如图2所示。数据单位均为厘米（cm）。

根据控制截面的弯矩影响线，按照截面弯矩等效原则设计试验荷载工况，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）中试验荷载效率为0.85～1.05的要求。静载试验工况与控制截面对应，如表1所示。

2.1.2 测点布置。一是应变测点布置，二是挠度测点布置。

①应变测点布置。应变测点沿纵桥向布置于A-A、B-B、C-C截面，每个截面各布置5个测点，如图3所示。

②挠度测点布置。挠度测点设在桥面上，沿纵桥向布置于A-A、C-C截面，每个截面各布置10个测点，如图4所示。

2.2 静载试验测试结果

2.2.1 应变测试结果。不同工况下各截面测点应变如表2所示，其中，拉为正，压为负。由表2可知，各测试截面测点的应变实测值均小于理论值，应变校验系数为0.65～0.78;相对残余应变为4.8%～12.4%，小于《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）规定的20%。以上试验结果表明，桥梁结构具有一定的安全储备，变形恢复良好，且处于弹性工作状况。

根据表2绘制各工况下截面测点应变分布图，如图5所示。由图5可得，各测点应变变化趋势与理论值基本一致，且各应变测点实测值小于理论值，这说明各截面各测点变形协调。

2.2.2 挠度测试结果。不同试验工况下各截面挠度及校验系数如表3所示。其中，挠度以向上为正，向下为负。

由表3可知，A-A截面和C-C截面各測点最大挠度校验系数都为0.74，小于1。这表明桥梁结构的刚度具有一定的安全储备。

3 动载试验

3.1 结构动力分析

为获得结构的动力特性，保证试验的有效性，动力荷载试验前对其进行动力分析，得出结构的自振频率。利用有限元软件Midas/Civil对结构进行动力分析，得出主桥的理论基频为1.593 Hz，竖向1阶振型图如图6所示。

根据式（1），可计算汽车荷载的冲击系数。

式中：[μ]为汽车荷载的冲击系数;[f]为主桥的理论基频，Hz。

已知主桥的理论基频为1.593 Hz，则[μ]=0.067。

结合有限元分析结果，全桥共使用6个加速度传感器，全部为V向，其分别布置在第11、12跨的L/4、L/2、3L/4截面（[L]为主桥长度），并布置在桥面外侧、护栏内侧。桥梁动挠度测试测点布置在第11跨的最大正弯矩处。

3.2 结构动力特性的测定

通过脉动试验、无障碍行车试验和刹车、跳车试验研究桥梁的自振特性和阻尼比，分析不同车速、不同车况下结构的冲击系数，以宏观评定桥梁的刚度、耗散外部振动能量的能力以及桥面的平整度。

3.2.1 结构固有频率的测定。通过环境激励法采集测点时域信号，并对其进行快速傅立叶分析，以获得各通道的频谱图。利用传递函数法对选择的频率峰值进行参数识别，求得该桥自振频率（2.734 Hz）。与理论计算结果对比分析可得，脉动试验测得的桥梁固有频率为2.734 Hz，大于理论计算固有频率1.593 Hz，表明结构的实际刚度大于理论刚度。

3.2.2 阻尼比测定。根据20 km/h跑车试验过程中测得的车辆荷载激振作用下的桥梁振动衰减曲线，可得平均衰减率（[δa]）为0.096。据此计算阻尼比，具体公式为：

式中，[ξ]为阻尼比。

代入相关参数值，可得[ξ]=0.015，即阻尼比为1.5%，在正常范围以内，表明该桥结构耗散外部能量输入的能力较好。

3.2.3 冲击系数测定。冲击系数（1+[μ]）综合反映了荷载对桥梁的动力作用。跑车试验期间，质量45 t的汽车分别以10、20、30、40 km/h的速度匀速通过桥跨，然后以30 km/h和10 km/h的速度进行刹车和跳车工况测试，使结构发生强迫振动，通过所测的时程曲线计算各试验工况下的冲击系数，如表4所示。

由表4可知，在进行无障碍跑车试验时，实测冲击系数小于理论值，这表明桥面平整度好，车辆对桥梁的冲击作用较小。而在进行刹车试验和跳车试验时，实测冲击系数大于理论值，这说明在不良路况下车辆对桥梁的冲击作用会增大。

4 结论

静载试验结果表明，结构的强度和刚度具有一定的安全储备，结构处于弹性工作状态。动载试验结果表明，桥梁固有频率大于理论计算固有频率，结构的实际刚度大于理论刚度，该桥结构耗散外部能量输入的能力较好，桥面平整度好，在不良路况下，车辆对桥梁的冲击作用会增大，危害桥梁安全。动静载试车分析表明，该桥的承载能力满足要求，具有一定的安全储备，结构处于良好的工作状态，可以继续正常使用。

参考文献：

[1]贺拴海，赵祥模，马建，等.公路桥梁检测及评价技术综述[J].中国公路学报，2017（11）：63-80.

[2]赵柏冬，吴迪，李文全.某简支T型梁桥动静载试验研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2020（4）：14-16.

[3]刘恒，周志瀚，曾芙霞，等.20 m预应力混凝土空心板单梁静载试验分析[J].山西建筑，2020（13）：117-119.

[4]贾毅，赵人达，李友河，等.高墩大跨连续刚构桥静动载试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2019（3）：470-478.

[5]赵天野.桥梁静动载试验及数据分析[J].北方交通，2020（9）：30-34.