沿海高速新洋港大桥加固后动静载试验与分析

孙宏伟

摘要：桥梁动静载试验是通过对桥梁结构物直接加载后进行有关测试、记录与分析工作，以达到了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，进而评定桥梁结构施工质量和使用状况。作者针对新洋港大桥在通车后不久发现的问题，经施工加固后介绍动静载试验的实施方案和过程，分析了新洋港大桥动静载试验的结果，对类似工程的检验和评估具有较高的参考价值。

关键词：桥梁静载动载试验研究

中图分类号： U445 文献标识码： A

1.前言

新洋港大桥位于沿海高速射阳县境内，主桥上部结构为（42.89＋3×60＋34.50）m错孔布置5跨变截面预应力混凝土连续箱梁，主桥箱梁采用挂篮悬浇施工。桥面双幅宽度36m，设计荷载：汽车－超20级，挂车－120。该桥于2006年11月份建成通车。

江苏省交通规划设计院有限公司在2009年定期检查中发现该主桥箱梁底板存在纵横向裂缝、部分节段底板空洞分层、腹板斜向裂缝等病害，并进行了详细检测和维修加固设计。针对检测发现的主要病害，针对性的采取了以下加固措施：

（1）对所有裂缝根据其宽度不同分别进行了封缝或灌缝处理，并对空洞、破损、露筋等部位进行了修补；

（2）箱室顶板沿横向粘贴条宽25cm、纵向间距25cm的碳纤维布条；

（3）在斜裂缝较多的部位及抗剪尺寸偏薄部位的腹板内外表面粘贴5mm厚、条宽15cm，间距25～40cm的钢板条进行加固，并植埋M10螺栓加压、锚固；

（4）对裂缝较多的横隔板粘贴整块5mm厚钢板，对钢板植埋M10螺栓预压、锚固，螺栓按约45cm间距梅花形布置。

为了检验本桥加固效果，评价加固后桥梁在设计使用荷载下的工作状况和安全性，江苏沿海高速公路管理有限公司委托上海市公路工程质量检测中心中心对其左右幅主桥进行荷载试验。

2.试验目的

通过对新洋港大桥主桥进行动静载试验，了解该桥梁加固后的工作状况，评估桥梁的加固效果。具体内容如下：

2.1通过静载试验，测试在试验荷载作用下箱梁控制截面的应力和挠度变形，分析其受力性能和工作状况是否满足设计及规范要求；

2.2通过动载试验，测试箱梁的自振频率和阻尼比，并获得箱梁在跑车、刹车及越障试验时的受迫振动响应，以此分析评定箱梁的动力性能；

2.3通过试验实测数据和理论数据的对比分析，评定加固后桥梁的承载能力和安全性是否可以满足设计正常使用要求。

2.4通过荷载试验建立桥梁加固后的初始技术档案，同时亦为设计理论、施工技术总结积累经验，为桥梁建设的整体水平提高创造条件，为今后桥梁的养护管理提供参考资料。

3.试验方案设计与实施

3.1 桥梁外观检查

在荷载试验前后对梁体进行全面、细致的复查，具体裂缝检查方法如下：

在裂缝边约3～5mm处用粉笔或记号笔或毛笔勾画线，以示醒目和照相记录。 在裂缝部位用小锤敲击，若声响轻脆，则内部未起壳，估计内部没有胀裂现象产生。若声响沉闷和明显起壳声，则内部有胀裂现象产生。根据现场裂缝调查情况，如发现有未修补的裂缝，则进行标识并选择典型裂缝按相应最不利位置进行加载，用裂缝观测仪或应变计测量其在荷载作用下的长度和宽度等变化情况。

3.2 静力荷载试验

静载试验采用三轴载重汽车，所需车辆荷载的数量，根据设计控制荷载产生的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得，即试验荷载作用下控制截面的内力和设计荷载作用下的内力比值η（荷载效率系数）满足：0.8≤η≤1.05，以达到荷载等效的目的。

式中：－静力试验荷载效率；－试验荷载作用下检验项目计算效应值；

－设计控制荷载作用下检验项目的最不利计算效应值；

－规范采用的冲击系数。

3.2.1静载试验加载位置和加载工况

加载位置与加载工况的确定主要依据的原则是：尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率，同时考虑简化加载工况，缩短试验时间，并在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况依据控制检验项目设置，同时兼顾其它检验项目。经过大量的计算分析和优化合并后，各测试截面的荷载效率系数满足0.80~1.05的要求，

根据桥梁结构形式、跨度和行车道数，计算各个加载截面的内力影响线，并据此进行荷载布置，各截面试验荷载布置均满足试验方法规定的荷载效率系数0.8～1.05范围内的要求。

其中荷载横向布置横向分别采用对称和偏载两种方式进行加载。

应变测点布置：各截面应力测点布置，主要测试结构关键截面在试验荷载作用下的应力大小和分布规律，并和理论值进行对比，以分析结构的受力性能。

挠度测点布置：在测试截面箱梁顶板和底板分别布设。

3.2.2静载试验实测结果与分析

3.2.2.1挠度实测数据分析

经现场测试，左幅主桥在各个加载工况作用下控制截面挠度进行实测，经与理论值对比：

（1）在试验荷载作用下，各控制截面实测挠度平均值均小于理论计算值，挠度校验系数最大值为0.95，最小值为0.74，均小于1.0，且处于常值范围内，满足试验方法的要求；

（2）在试验荷载作用下，跨径为34.44m和42.83m的边跨实测挠度最大值分别是3.96mm和8.26mm，跨径为60m中跨实测挠度最大值为15.94mm，均远小于L/600，表明结构刚度满足规范要求。

由挠度分析可看出：左幅各跨箱梁刚度满足设计和规范要求。

3.2.2.2应力实测数据分析

经现场测试，左幅主桥在各个加载工况作用下主桥控制截面应力进行实测，经与理论值对比：

（1）在试验荷载作用下，各试验跨箱梁控制截面下缘实测应力平均值均小于理论计算值，其应力校验系数小于1.0，满足试验方法的要求；

（2）在试验荷载作用下，各控制截面箱梁腹板和底板实测应力分布虽有不均匀和个别测点应力偏大现象，但经检查未发现有新增可见裂缝，结构受力总体上处于安全状态。

（3）由应力实测数据分析：左幅主桥在设计荷载下主体结构总体处于安全受力状态。

3.2.2.3相对残余变形（应力）分析

在试验荷载作用下，左右幅主桥各测试断面卸载后相对残余变形和应力均在《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定的20％以内，表明结构在卸载后变形能得到及时回复，处于弹性工作状态。

3.2.2.4结构抗裂性

由于裂缝是评定混凝土结构承载能力及耐久性的主要标志之一，荷载试验前后现场检测人员对各试验跨均进行了细致的外观检查，未发现有明显裂缝。因此加固后的梁体抗裂性满足设计和正常使用要求。

3.2.3静载试验小结

在试验荷载作用下，左右幅各控制截面实测挠度平均值均小于理论计算值，挠度校验系数处于常值范围内，满足试验方法的要求；

在试验荷载作用下，左右幅各试验跨控制截面的实测挠度均远小于L/600，表明结构刚度满足规范要求；

在试验荷载作用下，左右幅各最大正负弯矩控制截面箱梁底板的实测应力平均值均小于理论计算值，其应力校验系数满足试验方法的要求，说明其强度满足设计要求；

在试验荷载作用下，左右幅各控制截面箱梁腹板和底板实测应力分布虽有不均匀和个别测点应力偏大现象，但经检查未发现有新增可见裂缝，结构受力总体上处于安全状态。

本桥左右幅试验跨各测试断面的相对残余变形和应力均在《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定的20％以内，表明结构在卸载后的变形和应力能及时回复，处于弹性工作状态；

从静载试验测试结果分析可看出：在试验荷载下，左右幅桥跨结构实测数据和理论计算值基本吻合，应力和挠度校验系数基本满足试验方法的要求，说明加固后主体结构总体处于安全受力状态，可以满足设计荷载下的使用要求。

3.3动力荷载试验

3.3.1 试验内容

(1) 行车试验

试验时标准车以车速为20 km/h、30km/h、40km/h和50km/h匀速通过桥跨结构，由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用，从而使桥梁结构产生振动。通过动力测试系统测定测试截面处的动挠度时间历程曲线，以测得在行车条件下的振幅响应、动挠度及冲击系数。

(2) 刹车试验

试验时，让1辆标准车分别以10km/h和30km/h的速度匀速行驶至测试断面时实施紧急刹车，使其产生较大的制动力并对桥梁形成一定的冲击作用，测定跨中截面在车辆紧急刹车作用下的受迫振动响应。

(3) 越障试验

在桥梁中跨跨中处桥面设置高度为5cm的障碍物，模拟桥面铺装的局部不平整或损伤状态。试验时，让1辆载重汽车(重30吨)分别以10km/h和30km/h的速度匀速通过桥跨结构，在跨越障碍时对桥梁形成冲击作用，激起桥梁较大的竖向振动。测定此时桥梁在桥面不良状态时车辆荷载作用下的动态响应。

(4) 脉动试验

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率和阻尼比等动力学特征。

3.3.2动载试验结果分析

由模态试验实测频率和理论计算值对比可以看出，左右幅主桥实测自振频率值均大于计算值，表明箱梁整体刚度满足设计要求；

左幅主桥基频实测值均为1.53Hz，右幅主桥基频实测值均为1.50Hz。由于自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，因此该特征参数可作为今后定期检查的一个参考指标；

不同速度匀速跑车和刹车作用下，实测冲击系数比较稳定，在跨越障碍作用下，实测动力增大系数有所增长。由此可看出，越障试验下的桥梁振动相对较大，说明保持桥面铺装的平整性，对降低桥梁结构的冲击效应和保持良好的工作状态很重要，建议投入运营后加强桥面铺装的检查与维护；

跑车作用下，左右幅主桥实测最大冲击系数不大，且车速与冲击系数并无直接关系，桥面总体平顺，无较大颠簸；

不管是在跑车、刹车或越障作用下，没有发现振幅急剧增长并在相当长的一段距离内保持很大数值，也没有发现拍振现象，其动力性能在一般预应力混凝土连续箱梁桥允许范围内。

4.结束语

在试验荷载作用下，本桥左右幅主桥各控制截面的加载效率系数均满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》在[0.80, 1.05]范围内的要求；

在试验荷载作用下，左右幅主桥各控制截面实测挠度平均值均小于理论计算值，挠度校验系数处于常值范围内，满足试验方法的要求；

在试验荷载作用下，左右幅主桥各控制截面实测最大挠度值均远小于L/600，表明结构刚度满足规范要求；

在试验荷载作用下，左右幅各最大正负弯矩控制截面箱梁底板的实测应力平均值均小于理论计算值，且箱梁腹板实测应力沿高度方向基本成线性关系，其应力校验系数满足试验方法的要求，说明其强度满足设计要求；

在试验荷载作用下，左右幅各控制截面箱梁腹板和底板实测应力分布虽有不均匀和个别测点应力偏大现象，但经检查未发现有新增可见裂缝，结构受力总体上处于安全状态；

本桥左右幅主桥各控制断面的相对残余变形和应力均在《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定的20％以内，表明结构在卸载后的变形和应力能及时回复，处于弹性工作状态；

由模态试验基频和理论计算值对比可以看出，左右幅主桥实测自振频率值略大于计算值，说明结构的整体刚度较大，满足设计要求；

动载试验结果表明，当车辆匀速通过桥面时，左右幅主桥实测最大冲击系数小于规范规定值，且以不同的车速跑车、刹车或跳车作用下，没有发现振幅急剧增加并在相当长的一段时间内保持很大数值的现象，桥跨结构的动态性能在一般预应力混凝土连续梁桥的允许范围内。

综上所述：在试验荷载作用下，左右幅主桥各试验跨实测数据和理论计算值基本吻合，应力和挠度校验系数以及相对残余变形（应力）等基本满足试验方法的要求，说明加固后主体结构总体处于安全受力状态，可以满足设计荷载下的使用要求。同时外观检查未发现桥跨结构有明显缺陷，按《公路桥涵养护规范》（JTG H11－2004）进行适应性评定，加固后左右幅主桥为一类良好状态。

参考文献：

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