基于静动载试验的钢板组合梁桥承载能力评定研究

2023-11-16安徽省七星工程测试有限公司安徽合肥230088

安徽建筑 2023年11期

沈达（安徽省七星工程测试有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

随着我国交通运输行业的快速发展，对桥梁建设的需求也日益突出。为了提升桥梁的建造水平及速度，采用标准化、装配式的建造理念已经成为当前桥梁建设的一个趋势，通过工厂标准化预制和现场安装的建造模式，不仅能够提高桥梁的建设速度，同时有利于确保桥梁的施工质量。钢板组合梁桥作为新型桥梁结构之一，目前在我国桥梁建设领域得到广泛的推广和应用。这类桥梁结构通过混凝土桥面板将荷载传递给下部钢主梁，由钢梁承受荷载引起的内力及变形[1-4]。尽管对这类桥梁结构的受力模式及理论研究已经取得了许多研究成果，但对该类型桥梁结构实际运营状态的研究相对较少，因此，为了探究该类型桥梁结构在成桥状态下的受力性能，需要对桥梁结构进行荷载试验研究[5-7]。

荷载试验方法是桥梁结构承载能力评定最常用的方法之一，该方法通过对试验荷载作用下桥梁响应数据进行测试，并通过与理论计算值进行对比，验证桥梁结构的承载能力。其中，静载作用下主要测试的桥梁参数包括关键受力截面的应变及挠度，动载试验主要通过获得桥梁结构的模态参数及冲击系数，检验桥梁结构的动力参数是否满足运营要求。例如，胡银鹏[8]通过成桥荷载试验，对某大跨径混凝土斜拉桥的承载能力进行评定，结果表明利用荷载试验方法能够直观、可靠地实现桥梁结构的承载能力评定。王宝梁等[9]采用荷载试验方法对某老化桥梁的承载能力进行检测与评定，该研究通过有限元分析与现场试验相结合的手段，实现对该桥梁承载能力的评定，并为后续桥梁的养护维修提供重要参考依据。王文强[10]结合荷载试验数据，通过利用三类校验系数对某钢混组合梁斜拉桥的承载能力进行评定，结果表明该方法能够直观地对桥梁实际承载能力进行量化。

为了探究该类型桥梁结构在成桥状态下的受力性能，本文以G40 高速公路越引江济淮工程某钢板组合梁桥为工程背景，开展钢板组合梁桥的荷载试验，探明此类型桥梁结构在试验荷载作用下的真实校验系数及冲击系数，为钢板组合梁桥的安全运营及承载能力评定提供重要参考。

1 工程概况

G40 高速公路越引江济淮工程某钢板组合梁桥上部结构跨径布置为2m×30m 和4m×30m 两种布置方式，桥梁下部采用钢管桩基础。主桥设计时速为60km/h，桥面横向采用双向四车道布置方式，荷载设计等级为公路I级。在桥梁上部结构设计过程中，其主梁下部的钢梁采用工字形断面形式，梁高为2010mm，分别由上翼缘板、下翼缘及腹板焊接成整体，上、下翼缘的跨度分别为700mm 和850mm。钢梁的竖向加劲肋与梁体腹板等高，主跨沿纵桥向每隔8m分别设置一道下横梁，小横梁在支点处进行加密布置，横向间距缩小为3m一道，小横梁的梁高设置为800mm。桥面总体宽度为19.50m，承托板及悬臂板厚度分别为0.40m 及0.22m。桥面板采用混凝土构造，桥面板跨中板厚设置为0.25m，面板湿接缝区域采用钢筋环形搭接。依据设计资料，主桥下部结构采用钢管桩基础，钢管桩横向设置四排，钢管桩孔径为1200mm，管桩横向布置两排，管桩钢材采用Q235D 材质，桩体壁厚为14mm。钢管桩顶设置纵横向分配梁，上部设置纵横向连接系。

2 试验对象和内容

目前与桥梁荷载试验相关的检测规范主要为2015 年交通部发布的《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)，以及2011 年发布的《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)。上述规范对基于桥梁荷载试验的桥梁结构承载能力评定进行了一系列规定。并针对具体的荷载试验，又规定了静、动载试验需要进行的内容及试验步骤。本文对G40高速公路越引江济淮工程某钢板组合梁进行静动载试验，其主要目的是通过荷载试验获得桥梁在试验荷载作用下的校验系数及动力参数等，通过获得的这些数据及评定结果，为桥梁后期的养护、维修加固提供数据支撑。

一般而言，对钢板组合梁结构进行荷载试验通常包括静载试验和动力测试两个方面。其中，静载试验就是通过对目标桥梁进行额定试验荷载加载，获得桥梁关键截面在试验荷载作用下的变形及应力检测数据，并通过与理论模型结果进行对比，获得目标结构在试验荷载作用下的校验系数等，通过获得的这些校验系数，判定桥梁的承载能力是否满足要求。

动力测试又称动载试验，其与静载试验不同之处在于其主要测试桥梁的动力特性，测试手段主要包含模态测试、跑车、跳车以及刹车测试。其中，模态测试的目的是为了获得桥梁的整体模态参数，包括频率、振型以及阻尼比等参数，另外跑车、刹车试验主要目的是为了测试桥梁的冲击系数，并通过获得的这些参数，检验桥梁结构的运营状态与理论状态的区别，从而对桥梁的真实运营状态进行识别。

3 静载试验

在对G40高速公路越引江济淮工程某钢板组合梁桥进行荷载试验之前，应首先对该桥梁关键受力部位的外观缺陷进行识别，如钢梁表面是否出现裂纹、掉漆、以及锈蚀等现象，同时观测混凝土桥面板是否出现破损、裂缝等。其次观测桥面板伸缩缝处是否有开裂、破损、露筋等缺陷。最后对桥跨支座进行观测，确保荷载试验前桥梁的安装质量满足设计要求。上述检测工作完毕后，方可对桥梁结构进行荷载试验。

3.1 静载试验工况选择

依据G40高速公路越引江济淮工程某钢板组合梁桥的设计资料，本研究利用MIDAS 软件建立该钢板组合梁桥的空间有限元模型，建立的模型如图1 所示。其中主桥的钢梁部分采用空间梁单元进行模拟，桥面板采用板单元进行模拟，钢梁与桥面板采用刚接方式进行连接。依据桥梁的设计荷载等级，利用MIDAS 软件中的移动荷载模块，定义桥面的车道荷载，车道横向采用四车道布置方式。待有限元模型建立完毕后，通过执行静力分析，获得主桥在设计荷载作用下的弯矩包络线，如图2 所示。通过弯矩分布，分别确定主桥的测试截面，结合荷载试验规范，选取的测试截面沿桥梁纵向如图3 所示，全桥共选取三个测试截面，分别为I-I、II-II 以及III-III，其中，I-I、II-II分别为钢板组合梁桥两跨跨中测试截面，III-III 截面为支座处截面，全桥共进行四个测试工况，测试工况详细信息如表1所示。

表1 试验加载工况选择

图1 桥梁有限元模型立面

图2 设计荷载作用下的主桥弯矩包络图

图3 测试断面布置示意图（单位：cm）

3.2 测点布置及测试方法

结合钢板组合梁桥的结构特点，桥梁静载试验的应变主要采用DH3819 无线静态采集系统测试，桥梁变形主要通过精密水准仪进行测试。其中，测试截面的测点布置分别如图4 所示。由图4可知，对于跨中测试截面，每个截面布置12 个应变测点，桥面横桥向共布置3 个变形测点。另外，对于支座截面，钢主梁布置12 个应变测点，桥面横桥向共布置3个变形测点。

图4 I-I、II-II截面测点布置(单位：mm)

3.3 试验工况及荷载分级

本次钢板组合梁荷载试验采用分级加载方式进行，试验过程中根据分级加载的测试数据对桥梁荷载试验进行控制。依据桥梁的试验荷载大小及布载的方式，本次荷载试验共分为四级加载，每一级加载一辆试验车。另外，试验荷载的加载说明分为五点。第一，将试验用车辆荷载缓慢驶入预定加载位置，在车辆行驶过程中，对各测点读数进行观测，确保试验安全。第二，在分级加载时，应时刻关注截面应力及变形的变化与试验荷载的关系，同时要保证各测试截面的最大内力不超过测试截面在最不利荷载作用下的内力。第三，在同一级荷载内，荷载施加完成后，要等5 分钟之后开始读数，确保读数能够稳定，或者当测试结果变动小于量测仪器分辨率时，则可认为测试结果达到相对稳定。但当进行主要控制截面最大内力加载程序时，加卸载稳定时间应不少于15 分钟。第四，本桥试验荷载逐级加载达最大荷载后一次卸载。第五，试验加载过程中，应在气温相对稳定期间进行，通常选择晚上或清晨进行荷载试验，基于本地区的温度变换，本文所进行的荷载试验选择在晚间进行。

本次荷载试验中，试验荷载的中载及偏载布置图如图5 所示，其中每个测试工况各使用4 辆35t 的试验车进行加载，每一级工况加载1辆车。

图5 加载车辆立面布置图

3.4 静载试验结果与评定

通过该钢板组合梁桥进行静载试验，获得该桥梁在静载作用下的变形及应变测试结果，通过与有限元分析结果进行对比，得到如下结论，在中载工况作用下，主桥两跨跨中的最大变形校验系数约为0.80，最大相对残余变形为10.33%，均满足规范要求规定的校验系数小于1，残余变形小于20%的规定。另外，获得的三个关键测试截面的最大应变校验系数为0.77，最大相对残余应变为16.11%，均满足规范需求。同理，在偏载工况作用下，主桥两跨跨中的最大变形校验系数约为0.94，最大相对残余变形为15.32%，均满足规范要求规定的校验系数小于1，残余变形小于20%的规定。另外，获得的三个关键测试截面的最大应变校验系数为0.78，最大相对残余应变为18.98%，均满足规范需求，说明该钢板组合梁桥在设计荷载作用下处于弹性工作阶段，但体系的安全富余则相对较低，尤其是偏载作用下，钢梁的最大变形校验系数达到了0.94，已经接近于1.0。

4 动载试验

针对该钢板组合梁桥的结构特点及规范要求，本次动力测试内容主要包括模态测试、跑车和刹车工况。其中，模态测试工况的目的是为了获得桥梁的竖向自振频率和振型等结构整体动力参数，通过跑车试验能够测试桥梁的动力冲击系数，刹车试验的目的是进一步测试在刹车工况下的桥梁冲击系数，同时利用刹车工况下的自由衰减振动可以进一步识别桥梁的阻尼比参数。

4.1 测点布置

为了能够准确的测试钢板组合梁结构的动力参数，结合桥梁振型特点，传感器主要布置在钢板组合梁桥的每跨L/4截面、L/2 截面和3L/4 截面，每跨各布置3 个竖向传感器，共计6 个竖向传感器。另外，动态应变测点布置在各跨跨中位置。

4.2 动载试验结果分析与评定

模态测试采取在无车环境下进行测试，采用自然激励获取6 个动力传感器的振动信号，采样频率设置为200Hz，并持续采集10 分钟。然后将获得的6 个通道的信号输入到测试系统中，据信号的自功率谱、互谱以及相干函数识别主体结构竖向振动的低阶模态参数，具体振型如图6、图7所示。其中测试的主桥一阶竖向振型如图6 所示，在该工况下的自振频率为4.00Hz，阻尼比约为2.15%。另外，主桥二阶竖向振型如图7所示，在该工况下的自振频率为4.88Hz，阻尼比约为2.72%。然后基于有限元分析，获得该钢板组合梁桥的理论模态测试结果，与测试结果的对比如表2所示。由表2可知，大桥试验跨的前二阶实测频率均大于理论频率，说明桥梁结构各部件整体性能和技术状况较好。

表2 实测值与理论值对比结果

图6 主桥一阶竖向振型

图7 主桥一阶竖向振型

动力响应测试。冲击系数是钢板组合梁桥的一个重要动力参数，其反映了桥梁对移动荷载的放大程度，通常可以用最大动响应与静响应的比值进行表示。本次跑车试验拟采用35t 的加载车一辆，分别进行20km/h 和40km/h 的跑车及刹车试验，并获得大桥跨中在车辆荷载作用下的动应变测试结果。实测冲击系数与理论值的对比结果如表3 所示。由表3 可以清楚看到，四类工况下获得的大桥冲击系数均低于理论值0.208，说明该钢板组合梁桥试验跨具有较好的行车舒适性。