动静荷载作用下某桥梁改造工程承载能力探究*

孙彦增 莫善彪 周秀坤 牙彩莲

北部湾大学 广西 钦州 535011

引言

某桥梁改造工程，桥梁上构拟采用2跨13m预应力小箱梁结构，桥梁全长26.88m，桥梁总宽8m，其中行车道为6m，人行道两侧宽度均为1m。桥梁上部结构采用2m×13m跨径预应力钢筋混凝土小箱梁简支梁桥，下部结构1#桥墩采用单排双柱式桥墩、桩基础，0#、2#桥台桩柱式桥台、桩基础，桥梁全长28.94m，桥宽8m。通过对该桥进行成桥动、静载试验，分析车辆对桥梁承载力的影响，判断目前桥梁承载能力是否满足公路-Ⅱ级要求。

桥梁箱梁编号按桥梁南向北前进方向自左向右进行编号，试验跨为1#孔。

1 静载试验

桥梁的静载试验即在静力试验荷载作用下，通过测量桥梁结构的变形与内力，判定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符，进而判断结构性能。它是检验桥梁结构实际性能，如结构的强度、刚度等最直接有效的办法[1]。

1.1 静载试验内容

结合桥梁的结构特点，根据规范选取试验跨：1#孔跨中截面（A-A截面）进行测试，该桥行车道为6m宽，正载和偏载加载位置差别不大，因此按正载进行加载。

应变测点及挠度测点布置：选取0号台、跨中、1号墩3个截面，按照每片梁截面6个测点布置，在左、右侧面和底面各布设2个测点，测点中心对称。

1.2 试验荷载工况

试验各工况下所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得：

式中：η——静力试验荷载效率，对于验收性荷载试验，其值应大于或等于0.85，且不得大于1.05，对于鉴定性荷载试验，其值应大于或等于0.95，且不得大于1.05；

Sstate——试验荷载作用下，某工况最大计算效应值；

S ——设计标准活荷载不计冲击作用时产生的某试验工况的最不利计算效应值；

μ——设计计算取用的冲击系数。

表1 汽车荷载作用下控制截面内力及加载效率（单位：kN·m）

根据控制截面弯矩影响线并考虑横向分布进行等效布置，正式加载前对试验跨进行了预加载，正式加载包括工况1（正载），考虑到现场情况及加载车辆情况，分2级加载，包括以下步骤：

预加载：1#车（总重力478kN）驶入试验桥跨，按第一级加载地点停放，检查测试仪器运行状况和试验桥跨状况，如无异常状况，然后卸载；第一级加载：1#车驶入试验桥跨标识的位置；第二级加载：2#车驶入试验桥跨标识的位置；卸载：2#车（总重力480kN）驶出试验桥跨， 然后1#车驶出试验桥跨。

1.3 静载试验结果

1.3.1 应变测试。

图1 1号、2号、3号梁跨中梁底荷载-应变关系曲线

根据桥梁静载试验应力（应变）测试结果分析，试验测试截面测点应力（应变）实测值比理论值小，在各种工况下各测点应力校验系数ζ在0.74～0.80之间，卸载后各测点相对残余应变S'P在2.5%～8.1%之间，证明桥梁具有良好的恢复能力，在试验荷载工况作用下结构在弹性变形范围内。根据桥梁有限元计算及测试结果综合分析，桥梁强度满足设计要求[2]。

1.3.2 挠度测试。从实验结果可得，实测值与理论值规律基本一致，实测值小于理论计算值，各工况下A-A截面各测点挠度值校验系数ζ均在0.77～0.80之间，卸载后各测点相对残余挠度值S'P在3.2%～5.1%之间。试验荷载工况下桥梁A-A截面最大挠度值为3.39mm，相应的理论计算值为4.24mm，实测最大挠度值远小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）规定的允许设计值L/600（21.7mm），说明桥梁刚度满足设计承载要求。

桥梁在静荷载作用下，试验梁各测点变位（挠度、沉降）与应变的计算，应依据测量的试验数据扣除支点沉降的影响，计算跨中截面的实际挠度进行处理。

考虑支点沉降对跨中截面挠度的影响，试验数据处理时应将跨中截面测得的挠度扣除梁两端支点沉降的数值[3]，方法如下：

式中：fs——实际挠度值，mm；fz——跨中截面测量测点挠度数值，mm；fa、fb——梁两端支点沉降的测量数值，mm。

各测点变位（挠度、沉降）与应变计算。

总应变：St=SL-Si；弹性应变：Se=SL-Su；残余应变：Sp=St-Se=Su-Si

式中：Si——加载前各点的初始值（初读数）；SL——加载达到稳定时的测值（加载值）；Su——卸载达到稳定时的测值（卸载值）。

2 动载试验

动载的内容主要包括：脉动试验、跑车试验等

2.1 脉动试验

通过建立桥梁的空间有限元模型，经过有限元计算得到该桥的一阶理论振型与频率，脉动试验的测试断面布置在桥跨的L/2位置处，横向布置在距人行道内边缘10cm处，1个测试断面1个测点，根据测量结果，得到实测一阶阻尼比为1.920%。

2.2 跑车试验

该桥为2跨13m简支梁桥，根据当前的试验规程、桥梁结构的特点和现场实际情况，选取与静载试验相同的跨作为试验跨，取其跨中截面作为控制截面，动力响应测试截面和测点的布置，其中L为计算跨径，车辆激励试验加载车见表2，整个动载试验的工况分别为：简支梁桥5km/h匀速跑车工况、10km/h匀速跑车工况、20km/h匀速跑车工况、15km/h刹车试验工况、20km/h跳车试验工况[4]。

表2 试验用车车牌号、轴间距及轴重力表

实验结果显示，5km/h、10km/h、20km/h动应变测点应变分别为12.0με、12.8με、23.2με，是以20km/h行驶时产生的，从数据可以看出振动响应随时速增大而增大，车速对振动响应有一定影响[5]。

2.3 冲击系数

5km/h、10km/h、20km/h冲击系数分别为0.182、0.195、0.208，冲击系数的最大值为0.208，小于按照规范要求计算得到的冲击系数理论值0.433，说明桥梁的行车平顺性较好。

3 结束语

3.1 静载试验部分

3.1.1 桥梁采用重车进行静载试验，试验荷载按公路-Ⅱ级荷载等级进行加载试验，加载效率满足0.85～1.05的要求。

3.1.2 在各试验荷载工况下引起桥梁各不利截面应力分布合理，与有限元计算规律基本一致，各测试截面各测点应变（力）实测值均小于理论计算值，应变校验系数在0.74～0.80之间，应变相对残余均小于20%；说明桥梁结构在试验荷载下工作性能较好，具有良好的恢复能力，承载能力略有安全储备，在各试验荷载工况作用下结构在弹性变形范围内。

3.1.3 实测挠度值及理论计算挠度值对比结果表明，桥梁试验测试截面各挠度测点实测值均小于理论计算值，挠度校验系数在0.77～0.80之间，挠度相对残余均小于20%，说明桥梁刚度满足公路-Ⅱ级荷载承载力要求。

3.1.4 在静载试验之前、静载试验过程中以及静载试验之后，在桥梁上都没有发现裂缝。

3.2 动载试验部分

3.2.1 该桥一阶自振频率实测值14.50Hz，大于理论自振频率计算值12.68Hz，表明结构的整体刚度较大，满足规范要求。

3.2.2 不同车速下的跑车试验，桥面实测冲击系数最大值：0.208，小于按现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）计算得到的冲击系数理论值0.433，说明桥梁的行车平顺性较好。

3.2.3 在不同速度匀速跑车作用下，各测点的冲击系数相对较为稳定，刹车和跳车增幅较大，说明保持桥面平整通畅对于减小冲击荷载很重要。