简支转连续梁桥成桥动静载试验研究

王文忠

（吉林省林业勘察设计研究院，长春130022）

0 引言

随着我国交通事业的发展，跨线桥、立交桥、城市高架桥等越来越多。其中一些桥梁由于设计、施工外荷载作用、超载等原因，个别桥梁已经出现了比较严重的损伤及垮塌现象。因此为了使桥梁能够安全的运营，需要对桥梁进行必要的检查及维护，然而仅仅依靠传统的的仪器检测设备已不能满足对桥梁健康检查的要求［1］。这就要求我们必须通过更加精确合理的方式进行检测。目前比较常用的检测方法是动静载试验法。

桥梁的动静载试验是一项复杂而细致的工作，试验前应先计算出桥梁结构在设计或期望荷载下的最不利的组合值，并求出最不利截面的荷载内力影响线，然后在实验条件允许的情况下尽量选用与控制荷载相同类型的荷载，利用其内力影响线对结构进行最不利布载，此最不利荷载即是试验荷载。确定试验荷载后，通过布置应变计、加速度传感器、位移传感器等测出桥梁的竖向自振频率和冲击系数。

本文的工程实例是简支转连续梁桥。简支转连续梁桥涉及到体系转换及支点负弯矩的问题，在对此桥梁进行检测时采用的检测方法是常用的动静载试验法。此方法简单易行，测量准确。已在国内桥梁检测领域取得广泛应用。

1 工程概况

DK19＋972立体交叉桥位于明长公路DK19＋972处，铁路与公路实际交角为87°，公路桥设计角度为90°，桥下铁路净空按铁路桥规“桥限－2”控制，实际净高为12.90m。桥全长66m（两桥台耳墙端点之间的距离），桥梁起点桩号为K19＋939，桥梁终点桩号为K20＋5，中心桩号为K19＋972。桥梁结构为跨径3×20m简支转连续预应力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，共计4片梁，梁高1.2m，主梁上部为10cm整体化混凝土，桥面铺装为8cm的C50防水混凝土。

采用双柱式桥台，桥墩采用双柱式桥墩，柱径为1.3m。

2 动静载试验前的准备工作

在进行结构动静载试验前，要进行各方面的准备工作，首先要利用有限元分析软件建立桥梁结构模型。由于桥梁结构为跨径3×20m简支转连续预应力混凝土箱梁，主梁采用箱形截面，所以在进行模型建立时要模拟体系转换的过程，把实验荷载效应加到施工阶段［2］。在进行CAD界面导入的时候要把桥面铺装和主梁放在不同的图层。图1为利用桥梁博士建立的有限元模型。

图1 桥结构有限元模型

桥梁模型建立完毕，根据桥梁荷载试验规范要求，对于简支转连续梁桥需要对各跨中、支点截面的应力和挠度进行试验检测。但由于第二跨通行火车的限制，使得第二跨跨中无法检测，基于此原因，本桥的应力检测选定为一跨、三跨跨中和中支点3个控制断面；挠度检测选定为一跨、三跨跨中2个控制断面。

3 静载试验

静载试验检测法是通过对桥梁进行静载试验，量测与桥梁结构性能相关的具体参数。如挠度、应力、裂缝等。通过静载试验测出这些参数，分析出结构的强度、刚度及抗裂性能，据此来判断桥梁的承载能力。对于应变测量采用外贴式振弦传感器，对桥梁的挠度及变形采用电子精密水准仪进行测量。实验前利用Dr.Bridge软件建立有限元计算模型，进行结构设计荷载效应和试验荷载效应的计算。

静力荷载试验通过在桥上加载试验车辆模拟设计荷载。为完成上述静载试验内容并达到检测目的，根据选定的控制断面和边、中梁的布置形式，全桥共需要加载下面工况：跨跨中中梁正弯矩、挠度最大值；跨跨中边梁正弯矩、挠度最大值；三跨跨中中梁正弯矩、挠度最大值；三跨跨中边梁正弯矩、挠度最大值；支点处边梁最大负弯矩；支点处中梁最大负弯矩。

加载车辆在试验前要逐一称重、编号并记录轴重和轴距。要求：车辆总重偏差≤±5%，轴重偏差≤±10%。

本次试验为鉴定荷载试验，根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的要求，桥梁的静力试验按荷载效率η来确定试验的最大荷载。静力荷载效率η的计算公式为：

式中：μ——静力荷载试验效率系数；

Ss——静载试验荷载作用下检验项目的计算效应值；

S——设计控制荷载作用下检验项目的最不利效应值；对于车辆荷载应计入冲击系数μ；

根据汽车设计荷载在上述截面上产生的荷载效应为依据，在各截面荷载效应影响线上进行试验加载计算，使设计汽车荷载产生的效应与试验车荷载产生的荷载效应之比满足规范规定的静力试验荷载效应系数的要求。静载试验各工况加载效率系数见表1。

表1 静载试验各工况加载效率系数一览表

工况中的主梁变形及挠度拟采用电子精密水准进行测量；各工况下的结构应变采用外贴式振弦传感器进行测量，用专门的振弦读数仪进行采集，并在负弯矩工况下用裂缝测宽仪进行裂缝观察和测量。必要时，对于梁体的某些部位用钢筋定位仪进行钢筋定位检测。

4 动载试验

4.1 动载实验内容及方法

动载试验的目的在于研究桥梁结构的动力性能，该性能是判断桥梁运营状况和承载能力的重要标志之一［3］。比如动力系数是确定车辆荷载对桥梁动力作用的主要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能；桥梁过大振动可能引起乘客和行人的不舒适；桥梁自振频率超出某些范围时，有引起桥梁共振的危险。桥梁的动力试验主要围绕冲击系数做文章。实际的动力试验包括以下内容：

（1）脉动试验：在主梁的某些位置设置加速度传感器，进行振动信号采集，可获得主梁的振动频率；这些频率可用于结构的参数分析，进一步确定结构的刚度和质量分布情况。

（2）无障碍行车试验：计划采用2辆重25t的翻斗车匀速驶过主桥，预计速度从20km／h逐步变化到60km／h。同样要在主梁上进行拾振，记录结构在不同车速下的振动响应。本试验可以得到车辆对结构的冲击系数，建立冲击系数与车速的关系曲线，可以获得最不利车速。

（3）跳车试验：计划采用1～2辆重25t的翻斗车，在预先设置好的高20～30cm的枕木上落下，对结构产生瞬时冲击。也是要在主梁的指定截面进行拾振，记录结构在瞬时冲击后的衰减曲线，通过该曲线可以获得结构的频率和阻尼系数。

4.2 动载试验主要结果及分析评定

4.2.1 桥梁结构基频

此次动载试验采集到每跨两支座处、跨中、L／4、3L／4的地动脉，跳车工况和跑车工况的加速度时程曲线及频谱图。通过支点处进行数据关联，经理论计算该桥梁的一阶自振频率为1.3Hz，实测桥梁的一阶自振频率为3.54Hz，动测数据分析表明：桥梁一阶自振频率的振型为全桥反对称竖弯。测频率大于理论计算值，说明该桥实际刚度较大，振动响应较小，行车性能正常。图2示意地脉动试验第一跨L／4处测点速度时程曲线及频谱图。

图2 地脉动试验L／4处测点速度时程曲线及频谱图

试验工况：地脉动 第1次试验

测点位置：一跨中梁1L／4

试验名：地脉动 试验号：1

测点号：3

测试日期：2011－10－30

采样频率：100Hz dt：10ms df：0.097 656Hz

数据点数：90K点

长度：900.00s 光标位置

频 率：1.56Hz

4.2.2 冲击系数

通过动载实验获得桥梁结构的冲击系数是目前获取冲击效应的唯一可靠的方法。冲击系数的测试通常采用测试结构动应变或动挠度的方法［4］。该桥采用位移传感器测量结构的冲击系数。试验时共采用20、30、40、50和60km／h 5个速度工况。经过比选速度为40km／h测得的冲击系数最大，为0.09 Hz，而理论计算值为0.05Hz。经计算结构实测的冲击系数满足《公路桥涵设计通用规范》的规定值0.117（当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ＝0.176 7lnf－0.017 5）。图3是速度为40km／h时的位移时程曲线。

图3 位移时程曲线

5 结语

通过对DK19＋972立体交叉梁桥的静载试验可以得出如下结论：该桥的静工作性能良好，正常使用状态能满足公路－Ⅰ级设计荷载的要求，在试验过程中未见肉眼可见裂缝，结构处于线弹性工作范围，试验桥跨的桥墩未产生可观测到的沉降变位。

对于成桥动载试验可以得出如下结论：由地脉动、跳车的实测速度时程曲线及频谱数据可知，该桥桥梁振动响应较小，行车性能良好。

当然，随着科技的发展，人工智能将广泛地应用于桥梁检测和分析上［5］。随着学科交叉现象日益普遍，一些高新技术的最新研究成果将应用于桥梁检测技术，不断地推动桥梁检测技术的飞速发展。

［1］张俊平.桥梁检测［M］.北京：人民交通出版社，2002：43－47.

［2］陈强.先简支后连续结构体系桥梁施工过程检测及其仿真分析［J］.中国铁道科学，2004（5）：126－133.

［3］马明建.数据采集与处理技术［M］.西安：西安交通人学出版社，2000：33－36.

［4］刘博，盛兴旺.预应力混凝土先简支后连续梁静、动力试验研究［J］.中国铁道科学，2004，25（6）：88－93.

［5］吴志勤.桥梁检测与发展趋势简述［J］.山西建筑，2007，33（13）：278－280.