苍溪某新建连续梁桥荷载试验分析

(西华大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610039)

桥梁荷载试验是对新建桥梁和既有桥梁的实际工作状态及承载能力最直接有效的检验办法。荷载试验分为静载和动载2种：静载是将静止的等效荷载(多用载重的车辆充当)作用于桥梁上的控制截面位置，同时对该截面的应变及挠度进行测试；而动载则是将移动的荷载作用于桥梁上以测试其在动荷载如车辆荷载通过时桥梁工作性能的方法[1-2]。

在试验之前还需进行理论计算，以前期计算结果制定试验方案并以此作为现场试验过程中的控制指标，同时还会将理论计算值与试验值进行对比，以此判断桥梁结构的实际工作状态和承载能力[3]。

1 工程概况

该桥位于广元市苍溪县唤马镇，横跨东河。上部构造为7孔30 m的先简支后连续箱梁+3孔16 m现浇实心普通钢筋砼板桥；下部为钻孔灌注桩基础，唤马岸桥台为重力式U型台，扩大基础，苍溪岸采用重力式L型桥台；纵坡为平坡，横桥向双向2.0%的横坡。桥面布置形式为净7.0 m车行道+2×1.9 m人行道+2×0.35 m护栏+2×0.25 m栏杆，全宽12 m，设计荷载等级为公路II级。

为检验该桥是否达到预期的设计目标，其承载能力及静动载性能能否满足相关的公路桥梁规范要求[4-5]，能否按期进行交工验收，特对该桥进行了桥梁荷载试验。

2 静载试验方案

首先，需根据计算及现场的实际情况，同时需兼顾试验仪器放置的难易、测试的便利选取大桥进行荷载的试验跨，然后进行试验的方案设计。本次试验最终选取唤马镇方向的第一边跨进行静载试验。试验的控制截面见图1，分别为边跨跨中截面(A-A截面)、墩顶截面(B-B截面)及唤马镇侧桥台支座截面(C-C截面)，该3个截面做为静载测试的控制截面，荷载试验纵横向布置如图2—图5所示，测试的主要内容包括：

1)应力测试，包括边跨跨中和墩顶共2个截面；

2)挠度测试，边跨跨中截面，同时需考虑支座下沉的影响。

图 1 桥梁纵向立面布置图(单位：cm)

桥面行车道宽7 m，因此静载试验在布载时，需考虑正载和偏载2种情况，偏载需求出偏载系数。表1详细列出了该次试验的工况及具体检测项目。

表1 试验加载截面及测试项目

图 2 工况一(二)桥梁加载纵立面布置(单位：cm)

图 3 工况三(四)桥梁加载纵立面布置(单位：cm)

图 4 试验荷载横向(左偏载)布置图(单位：cm)

应变测点布置在唤马镇侧边跨跨中A-A、墩顶B-B，共2个截面，各截面应变测点(小三角形表示)布置情况见图6—图7。

在测试A-A截面挠度时，需考虑支座沉降的影响，因此需要测试2支座截面即B-B截面和C-C截面的挠度。这样，全桥需设12个挠度测点，测点布置见图8—图9。

图 5 试验荷载横向(右偏载)布置图(单位：cm)

图 6 A-A断面应变(应力)测点布置图(单位：cm)

图 7 B-B断面应变(应力)测点布置图(单位：cm)

图 8 挠度测点纵向布置图(单位：cm)

图 9 挠度测点横向布置图(单位：cm)

3 理论计算与静载试验结果分析

3.1 有限元模型的建立及计算

本次荷载试验的计算采用有限元程序MIDAS/CIVIL[6]建模得到，有限元模型见图10，全桥共452个节点和655个单元，主梁采用梁单元模拟，横隔板、横梁采用板单元模拟。

图 10 连续梁桥有限元模型图

根据上面拟定的各工况荷载加载位置进行理论分析，有限元计算结果与实测结果列于表2至表4，因篇幅关系，仅列出工况1车辆布置及相应荷载作用下的弯矩、挠度及应力(见图11—图13)。

图 11 工况1：车辆布置示意图

图 12 工况1：荷载作用弯矩图

图 13 工况1：跨中截面的挠度及应力图

3.2 挠度实测结果与理论计算值的比较

边跨跨中截面(A-A)在试验荷载作用下挠度试验值与计算值见表2。

表2 边跨跨中截面(A-A)挠度试验值与计算值

从表2可以看出，测试截面在各工况下跨中挠度校验系数均小于1.0，表明其刚度满足公路II级荷载等级要求。

3.3 应力实测结果与理论计算值的比较

在试验荷载作用下，各控制截面在不同工况下的实测值与计算值比较情况见表3和表4。表中数据以受拉为正，受压为负，表中同一测点位置的不同测点的实测值取为平均值(除极个别离散较大的测点)。各测点布置图见图6—图7。在应变测试转化为应力的时候，弹性模量按混凝土设计值C50进行计取，取E=34.5 GPa。

表3 边跨跨中截面(A-A)应力试验值与计算值的比较

表4 墩顶截面(B-B)应力试验值与计算值的比较

从表3和表4可以看出，除个别绝对值较小的测点外，各控制截面应力校验系数在0.35～0.76之间，处于梁桥结构应力校验系数的正常范围，表明其强度满足设计要求。

静载试验中，每次卸载完后，均对测点的残余变形进行记录。总的来看，残余变形较小，该情况表明结构在测试荷载作用下处于弹性工作状态，其在测试时由荷载所导致的变形能得到恢复。

测试前后同时还对截面附近进行裂缝扩展的检查，未发现有新裂缝的产生。

4 动载试验分析

4.1 自振特性测试结果

自振特性的测试采用环境激励法测得，实测频谱图见图14，实测频率见表5。

表5 计算频率与实测频率对比表 Hz

序号计算基频实测基频14.244.35

JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》的规定，相应试验连续梁桥边跨计算跨度L=29.62 m，计算正弯矩效应(跨中)时，计算基频为f=4.24 Hz[4]。实测本桥主梁竖向一阶自振频率f=4.35 Hz，大于规范计算值。

图 14 跨中截面实测竖向频谱图

通过对自振频率的计算值和实测值进行对比，发现两者非常接近，属正常范围，同时也表明桥梁的动刚度较好，该桥施工很好地实现了设计的意图。

4.2 行车激振试验测试结果及分析

不同速度下的跑车试验和跳车试验激振图见图15—图16，因篇幅关系这里仅列出跑车20 km/h和跳车20 km/h激振图。

图 15 跨中截面20 km/h跑车

图 16 跨中截面20 km/h跳车

通过跑车和跳车的试验可测得不同速度的动荷载通过桥梁所引起的波形图，通过模态软件分析，可得到跑车和跳车的冲击系数(见表6)。

表6 实测跨中截面动应力冲击系数

对试验数据结果进行分析可以看出：跑车和跳车的冲击系数最大数值分别为1.23和1.12，均小于规范计算值，在正常范围之内。

5 结 论

通过对该桥进行动静载相结合的试验，可得出以下结论：

1)静载试验。测试截面在各工况下跨中挠度校验系数在0.51～0.64之间，挠度校验系数均小于1，表明其刚度满足设计要求；除个别绝对值较小的测点外，各工况应力校验系数在0.35～0.76之间，表明其强度满足设计要求；同时，在试验荷载卸载后，控制截面的残余变形百分比均较小，表明结构产生的挠度能够得到恢复，结构在试验荷载下处于线弹性工作状态。

2)动载试验。实测结构竖向一阶频率为4.35 Hz，大于计算值4.24 Hz，表明结构的整体性和动刚度较好；跨中截面行车和跳车的冲击系数最大值分别为1.23和1.12，均在正常范围之内，表明结构正常工作状态下的动力性能良好。

从试验结果可以看出，本桥满足公路-II级荷载要求。

[1]滑思庆，李刚，陈飞.简述桥梁荷载试验[J].山西建筑,2008,34(9)：336-337.

[2]代少敏,刘显陆.桥梁荷载试验要点评述与展望[J].交通标准化,2009(6)：14-16.

[3]交通部公路科学研究所,交通部公路局技术处,交通部公路规划设计院.大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].1982.

[4]中交公路规划设计院.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[5]中交公路规划设计院,JTG D62—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,2004.

[6]邱顺冬. 桥梁工程软件Midas Civil应用工程实例[M].北京： 人民交通出版社,2011.