大跨径变截面预应力连续梁桥静动载试验及分析

张军飞 ZHANG Jun-fei

（安徽省公路桥梁工程有限公司，合肥 230031）

1 工程概况

谷河特大桥全长1247m，双幅布置。其中主桥长220m，引桥长1027m。主桥采用60m+100m+60m 预应力混凝土连续梁桥，双幅布置，该桥设计荷载：公路-Ⅰ级，分幅桥面净宽：0.5m（护栏）+0.5m（路缘带）+3.0m（硬路肩）+3.75m×3（车行道）+0.5m（路缘带）+0.5m（护栏）=16.25m，该桥2021 年建成。

2 检测目的

本次检测为交工前的质量检测，通过静载试验、动载试验，检测试验桥跨结构的承载力、结构变形及正常使用状态是否满足设计要求。受检桥跨结构的动力特性和动力响应性能是否正常。真实客观地反映工程质量情况，为交工验收、运营、养护管理提供科学的依据。

3 主要检测内容

3.1 静载试验

相应测试工况下，试验桥跨测试截面应力（应变）检测；相应测试工况下，试验桥跨测试截面挠度检测；相应测试工况下，试验桥跨测试截面附近裂缝监测；试验加载过程中，异常现象出现。

3.2 动载试验

动力荷载试验是为了测定桥梁结构的自振特性或在动力荷载作用下的受迫振动特性，通过动载试验评定该桥的行车性能以及行车安全性和舒适度。本次动力荷载试验主要测试内容有：动载试验是测量桥梁结构在动载下的自振特性或受迫振动特性，通过动载试验评价桥梁的行车性能、行车安全性。本次动载试验的主要试验内容如下：①上部结构的动力性能：自振频率；②汽车负载下的跑车测试：动态响应和冲击系数；③汽车负载下的刹车试验：动态响应和冲击系数；④结构的模态。

4 有限元模型的建立

谷河特大桥主线桥左右幅相同，在Midas Civil 2021中只对左幅建立有限元模型，主梁用悬臂法建模助手进行建立，再对梁段离散，最后用PSC 建模助手修改截面，使截面的变化符合设计要求的变化规律，通过Midas CDN 2021 建立加载方案。在建模的过程中假定：①混凝土为理想弹性材料；②不考虑桥面铺装对桥梁抗弯能力影响，仅作为荷载转化为质量，考虑其对基频的影响；不考虑钢筋对截面刚度的贡献；③符合平截面假设。

5 试验方案

5.1 设计控制荷载

按照设计荷载（公路-Ⅰ级），用三车道进行纵向布载，考虑冲击系数的控制截面的内力值（弯矩）并以此作为测试加载的依据。计算在公路-Ⅰ级荷载作用下各控制截面的最大内力，并根据该沽河特大桥该位置的纵向影响线，通过测试试验车进行等效加载，使加载效率达到规范要求。

5.2 试验荷载

以设计正常使用移动荷载作为加载控制载荷，按控制断面内力（弯矩）等效原理进行载荷分配，并使控制截面的试验荷载效率满足检测规程的要求。试验车辆规格以及数量根据结构分析以及荷载等效计算结果确定。正式试验前，对所有装载车辆进行称重，并根据试验车辆的实际称重结果对车辆进行分组，并确定车辆在各种装载条件下的装载位置，以保证试验效率是在合理的范围内。

采用标准三轴载重汽车加载，单辆载重汽车总重为35t，车辆信息及轴重见表1 所示。

表1 加载车辆规格、数量要求（三轴车）

5.3 静载试验应变测试截面和测点布置

根据委托合同和沽河特大桥的受力特性，应力测试截面选边跨最大正弯截面K1、墩顶最大负弯截面K2、中跨最大正弯截面K3，静载试验测试截面布置见图1，截面静应变测点布置见图2。

图1 静载测试断面位置示意图（单位：cm）

图2 K1~K3 断面静应变测点布置示意图（单位：cm）

5.4 静载试验挠度测点布置

按照连续梁结构受力特性，挠度测试截面选取边跨最大正弯截面K1、中跨最大正弯截面K3，挠度测点见图3。

图3 K1、K3 断面挠度测点布置示意图（单位：cm）

5.5 动载试验测试截面和测点布置

按照连续梁结构受力特性，动力响应和动力特性测试截面选取截面K1、K3，动应变点和静载荷试验应变点相同，具体见图2。按照连续梁结构受力特性，模态测试测点选择边跨4 分点和中跨8 分点，共13 个测点，测点布置示意图见图4，其中D7 为不动点。

图4 模态测试测点布置示意图（单位：cm）

5.6 各工况加载效率及车位布置

根据谷河特大桥静载测试内容和谷河特大桥结构计算分析的结果，制定静载试验工况如下。控制截面在设计荷载作用下的内力值见表2 所示。

表2 试验截面在设计荷载作用下的内力计算值

5.7 谷河特大桥静力试验各加载工况荷载布置见图5～图7。

图5 K1 截面最大正弯矩加载车平面布置图（单位：cm）

图7 K2 截面最大正弯矩加载车平面布置图（单位：cm）

6 静载试验数据处理

6.1 静载试验结果 荷载按照预定的顺序分三级逐次加载，并对试验测试值与分析计算值进行比较，在6 个试验工况荷载作用下，谷河特大桥相应控制截面上主要测点应变和挠度计算值、实测值及校验系数、残余值及相对残余见表3～表4；在各工况试验荷载作用下，对谷河特大桥左幅各观测截面附近梁体的混凝土外表面做了仔细观察，未发现新增可观测裂缝等异常现象。

表3 各工况满载下校验系数汇总表（左幅）

表4 各工况满载下校验系数汇总表（右幅）

图6 K3 截面最大正弯矩加载车平面布置图（单位：cm）

6.2 动载试验结果 动载试验是利用一定的激振方式对桥梁结构进行激振，测量其固有频率、动力响应系数等参数，从而判断桥梁结构的整体刚度、动力特性和性能。根据谷河特大桥特点和现场条件，动载试验主要进行脉动试验和行车试验，测试结果见表5。

表5 动载试验结果汇总表

7 检测结论

在静载工况1～工况6 试验荷载下，谷河特大桥左右幅主要测点挠度和应变实测值均小于理论计算载值，校验系数小于1，卸载后相对残余变形在20%范围内，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的要求，说明桥跨结构竖向刚度满足要求，桥跨结构处于弹性工作状态。谷河特大桥左幅一阶垂直振动频率的实测值为1.465Hz，大于其相应的理论计算值1.017Hz，说明谷河特大桥左幅主桥结构的整体刚度正常，各跑车工况下，桥梁受检桥跨各截面实测冲击系数最大值为0.042；谷河特大桥右幅一阶垂直振动频率的实测值为1.440Hz，大于其相应的理论计算值1.017Hz，说明谷河特大桥右幅主桥结构刚度正常，各跑车工况下，桥梁受检桥跨各截面实测冲击系数最大值为0.045。综上判断，谷河大桥左右幅受检桥跨结构的动力特性和动力响应性能正常。谷河特大桥左右幅结构强度、刚度符合交通部颁发的《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）和《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中所规定的要求，其现有承载能力满足设计荷载标准：公路－Ⅰ级荷载作用下的正常使用要求。

8 建议

根据现场检测情况，建议如下：①为保证桥梁结构在营运期间的安全性和耐久性，建议相关部门加强对通行车辆的管理，严格按照设计荷载进行限载通行；②根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）进行养护。