马底驿II号大桥动静载试验测试与分析

冯 星，孙常新

(1.湖南省交通科学研究院，长沙 410015;2.华北水利水电学院，郑州 450011)

1 工程概况

常(德)吉(首)高速公路第13合同段K117+620马底驿II号大桥平面部分位于半径R=1 000 m的平曲线上，其上部构造为19～20 m的钢筋混凝土空心板，先简支后桥面连续。0号桥台、19号桥台设置GQF-Z80型伸缩缝，6号桥墩、12号桥墩设置 GQFMZL160型伸缩缝。下部构造采用双柱式桥墩配桩基础和扩大基础，肋板台配桩基础，重力式桥台配扩大基础。本桥部分桥型布置见图1。该桥主要参数如下:桥面净宽为2×净11 m;设计荷载为汽车—超20级，挂车—120;设计洪水频率1/100;区域内地震强度为震动峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s。

为了检验该桥的承载能力及其使用功能是否符合设计标准，以保证建成后通车营运的可靠性，对该桥进行了桥梁静动载试验，通过荷载试验:①了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量。②检验桥梁结构的设计和施工质量。③有助于发现在常规检查中难以发现的隐蔽病害。④了解一些在理论上难以计算部位的受力状态。

2 静载试验及结果分析

2.1 加载断面的选择及观测方法

根据工程要求，选取该桥右幅共二个断面作为加载断面，全桥共二个工况，见图1。具体为:

工况Ⅰ——右幅12#～13#墩跨中最大正弯矩，Ⅰ-Ⅰ截面加载;

工况Ⅱ——右幅13#墩支点最大负弯矩，Ⅱ-Ⅱ截面加载。

根据大桥结构和工程运行特点，检测的试验项目分别确定为:

1)应力观测 应力观测截面为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ共2个截面，试验结构表面外贴应变计测试应力。所有元件均采用振动频率检测仪测试。观测截面应力测点布置见图2。

图1 桥型布置

图2 断面应力测点布置

2)挠度观测 挠度观测为跨中、四分点和支座截面。在每个测试断面上安置一把精密水准尺，用精密水准仪观测。

3)试验荷载作用下的裂缝观测 在加载前后检测各部位裂缝，重点检测加载截面在试验荷载作用下裂缝的产生和发展。裂缝长度用小钢尺量测，裂缝宽度用刻度放大镜观测。

4)相对残余变形(残余应变)观测 在各个工况下，加载到最大量级且变形稳定时，测读相应控制测点变形值。卸载后变形稳定时，再读控制测点变形值，并计算残余变形。

5)墩台沉降观测 先在观测墩台上做好测点记号，在加载前用精密水准仪观测各测点的高程，加载达到最大量级后观测各测点高程，卸载达到稳定后再观测一次。当试验荷载作用下墩台沉降较小，符合上部结构的检算要求，卸载后变位基本回复，认为地基与基础在检算荷载下能正常工作。否则，墩台沉降较大，卸载后变位不能回复时，应进一步对地基、基础进行探查、检算，必要时对地基基础进行加固。

2.2 计算模型，试验荷载及试验方法

本桥分析模型采用有限元软件进行空间分析，分析实体为solid45单元，计算模型 solid45单元尺寸横桥向为0.4 m，纵桥向为1 m。按设计标准荷载计算加载汽车的车辆数量，各工况计算结果如表1，其中跨中截面加载工况如图3所示。

采用的试验方法为:①在试验前，将加载汽车按计算的试验荷载重量装载，过磅称重;②试验荷载分4级逐级加载。在正式加载前、各量测仪表调零或初读数。然后分级加载，每一级荷载加载完毕，等待结构变形稳定后，各量测仪表读数。读完数后，再加下一级荷载。当全部荷载加载完成并读数后，按一次全部卸载，等待30 min，各量测仪表测读结构的残余变形。加载稳定时间取决于结构变位达到稳定所需的时间。同一级荷载内，结构最大变位测点在最后5 min内的变位增量小于前一个5 min变位增量的15%，或小于量测仪表的最小分辨值时，则认为结构变位达到相对稳定。在进行主要控制截面最大内力加载程序时，加载稳定时间不小于15 min。

表1 各工况加载计算结果一览

图3 跨中截面加载工况

2.3 静载试验结果分析

下面主要对I工况下12#～13#跨跨中的挠度与应力的计算值与实测值进行分析。表2给出了12#～13#跨(I工况)实测挠度与计算挠度的对比情况，从表中可以看出两者有一定误差，计算值一般较实测值大，这是因为理论计算模型一般比较简单，建立模型时候没有考虑钢筋的影响，另外实际的混凝土弹性模量一般比理论上采用的值大。

表3给出了12#～13#跨跨中截面下缘应力的实测值和计算值，图4给出了12#～13#跨跨中截面下缘应力—跨中弯矩曲线图。从表中可以看出应力的实测值与计算值的比值在69%～76%之间。跨中截面下缘实测应力与跨中弯矩呈直线关系，且12#～13#跨跨中截面在同一弯矩作用下其下缘的实测应力值要小于计算的应力值。从加载时的裂缝观测来看，在各工况加载试验过程中，最大试验荷载作用下加载截面及墩柱未出现任何裂缝。

总结静载试验下工况Ⅰ和工况Ⅱ的计算和实测分析结果，对本桥可得出如下结论:①本次选取跨中和支点共两个截面进行了静载试验，试验荷载效率系数均在0.85～1.05之间，满足规范要求。②测量的弹性变形值与试验荷载作用的理论值的比值分别为0.79和0.75，残余变形和总变形的比值均小于0.2，最大变形值均小于规范允许值［Δ］=L/600，这说明在试验荷载作用下测得的各指标均满足规范要求。③应力实测值与计算值的比值在69%～76%之间，且在最大试验荷载作用下加载截面及墩柱未出现裂缝。

表2 12#～13#跨(I工况)实测挠度与计算挠度 mm

表3 12#～13#跨跨中截面下缘实测应力与计算应力

图4 12#～13#跨跨中截面下缘应力—跨中弯矩曲线

3 动载试验及成果分析

3.1 测试项目及试验方法

桥梁结构的动载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性。通过动载试验，测量该桥的动力性能，该性能是判断桥梁营运状况和承载能力的重要指标之一。冲击系数是确定车轴荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能，实测并积累有关冲击系数的数据，是桥跨结构动力荷载试验的任务之一。

主要测试项目有:①测定桥梁结构在动力荷载作用下的受迫振动特性，如冲击系数，频率等;②测定桥梁结构的自振特性，如结构的自振频率和阻尼特性等。

试验方法如下:①桥梁受迫振动特性的试验荷载采用1辆重车以30、40、50 km/h的不同车速通过桥梁，要求每次试验时车辆在桥上的行驶速度保持不变;或在桥梁动力效应最大的检测位置进行刹车试验。②桥梁自振特性试验是在预定激振位置，汽车后轮越过一根高15 cm的有坡面的横木，车轮落下后立即停车;或者车辆通过桥梁后测量桥梁的余振。

3.2 试验结果分析

图5(a)为汽车以40 km/h的速度在桥上通过所测得的波形分析图，图5(b)为汽车在桥上的跳车波形分析图。根据测试结果可以看出:①受迫振动频率在6.608～8.564 Hz的范围;②自振频率:一阶自振频率为8.564 Hz。对比理论值指标均在桥梁结构的正常范围内，说明该桥的动力性能满足要求。

图5 动载试验波形

4 结论

根据该桥动静载试验测试数据与分析结果，可以得出如下结论:该桥强度、刚度和动力性能均满足设计要求，在试验荷载(达到设计值)作用下处于弹性工作状态，主要指标(挠度和应力)实测值小于计算值，结构弹性恢复性能较好。因此，常吉高速公路 K117+620马底驿II桥的承载能力满足设计荷载汽车—超20级和挂车—120的营运要求。

［1］吴浪辉，马保松，杨永贵.武汉白沙洲高架桥静动载试验研究［J］.铁道建筑，2009(12):15-17.

［2］中华人民共和国交通部.JTGD62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］中华人民共和国交通部公路司.JTGB01—2003 公路工程技术标准［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］中华人民共和国建设部标准定额研究所.GB/T 50344—2004 建筑结构检测技术标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.