泰东河台广大桥工程荷载试验分析研究

戴兆婷 何继业

（江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210029）

0 引言

桥梁施工完毕后，检验成桥后结构强度、刚度，掌握其在荷载作用下的实际工作状态，有利于日后工程的顺利运营，而要掌握桥梁在荷载作用下的正常使用状态极限承载力和动力特性非常复杂，这就意味着评定桥梁结构承载能力是否达到设计荷载标准变得更加重要。因此，桥梁的荷载试验［1］研究显得尤为重要。近年来，随着计算机技术的发展，大型有限元程序的出现为复杂结构的稳定性分析提供了足够的便利。最近几十年间，荷载试验计算分析研究从二维线性分析方法发展到现在的三维非线性分析方法，获得了很大的发展和广泛的应用，在前人研究成果的基础上，进一步完善了大跨度桥梁的非线性静风稳定性分析方法，能全面考虑材料、结构几何特性和结构的非线性等因素。

一直以来，桥梁的荷载试验分析都假设结构参数和风荷载参数是完全确定的，故属于理论性分析。然而，在实际中，很多参数都是不确定的，如：材料特性、几何尺寸、荷载的分布和大小等。理论性分析没有考虑这些不确定因素在荷载实际作用过程中的影响，不能反映结构的真实情况。因此，这就需要应用可靠度方法来进行有限元分析和脉动分析。

笔者基于有限元分析理论和脉动分析方法，提出了更为优化的桥梁荷载试验方案，并以台广大桥为例，建立有限元分析模型，对其进行了理论数据和实测数据的比对分析。

1 分析方法

1.1 有限元分析方法

利用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil 建立空间有限元模型进行结构计算分析。按规范取2 车道进行加载试验。桥梁有限元模型如图1 所示，设计荷载作用下弯矩包络图如图2 所示，根据桥梁在设计荷载作用下的内力包络图，确定各测试控制截面见图3。

图1 主桥模型图

图2 主桥弯矩包络图

图3 试验控制截面布置图

1.2 脉动分析方法

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因风、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，获得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。加速度传感器布设在桥面两侧，测点的布置方式如图4 所示。

1.3 车辆激励分析方法

1.3.1 行车试验

试验时，由标准车以一定车速匀速通过桥跨结构，其在行驶过程中对桥面产生冲击作用，将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应变时间历程曲线，可测得在行车条件下的振幅响应、动应变及冲击系数。

1.3.2 刹车试验

试验时，由标准车以一定车速匀速行驶至测试断面时实施紧急刹车，其产生较大的制动力将对桥梁形成一定的冲击作用。通过动力测试系统测定1/4 测点的振幅响应、动应变及冲击系数。

1.3.3 跳车试验

在桥梁1/4 截面处桥面设置高度为4 cm 的障碍物，模拟桥面铺装的局部不平整或损伤状态。试验时，由标准车以一定车速匀速通过桥跨结构，其在跨越障碍时将对桥梁形成冲击作用，激起桥梁较大的竖向振动。通过动力测试系统测定桥梁在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动态响应。

2 工程实例

2.1 工程简介

泰东河台广大桥工程位于泰东河桩号4+050 处，桥梁设计荷载为公路Ⅱ级，主桥为通航孔，跨径1×70 m，主桥桥面总宽12.4 m，主桥上部结构为钢管混凝土系杆拱，计算跨径为L=68 m，矢高f＝13.6 m，矢跨比为1/5，下部结构为分离式桩基承台基础，柱式桥墩，见图5。

上部结构主桥拱肋钢管内压注C40 微膨胀混凝土，系杆、横梁采用C50 混凝土，引桥板梁采用C50 混凝土；下部结构桩基础采用C25 混凝土，墩柱及盖梁采用C30 混凝土。系杆和端横梁现浇，中横梁预制吊装现浇湿接头。

图4 主桥脉动试验传感器桥面布置示意图

图5 台广大桥主跨立面示意图

2.2 静载试验分析结果

由表1可知，在试验荷载作用下：①各工况加载下主桥各控制截面挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数小于1.0，结构刚度满足要求；②各挠度控制截面的最大实测挠度为-11.6 mm，小于规范规定的L/600，表面结构整体刚度较大。

由表2可知，主桥位移测试控制截面卸载后相对残余变形均在《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）规定的20%范围以内，表明卸载之后结构的变形能够及时恢复，结构处于弹性工作状态。

由表3～5可知，在试验荷载作用下，主桥各测试截面关键测点的应力值均小于理论值，应变校验系数小于1.0，结构强度满足要求。

2.3 动载试验分析结果

由表6可知，桥梁一阶实测自振频率值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求。自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，本次试验桥梁一阶自振频率实测值为2.25 Hz，因此，该特征参数可作为今后定期检查的一个参考指标。由表7可知，在不同速度匀速跑车作用下，桥梁各测点的动应变测试数据比较稳定，刹车较跑车时动应变有所增加，跳车较跑车时动应变增加明显，说明保持桥面平整通畅对于减小冲击荷载很重要。

表1 各工况作用下测点挠度数据分析表

表2 各工况作用下各测点相对残余变形表

表3 工况1 作用下各截面测点应变数据分析表

表4 工况2 作用下主桥各截面测点应变数据分析表

表5 工况3 作用下主桥各截面测点应变数据分析表

表6 自振特性实测值与理论计算值对比表

3 结论

笔者基于有限元计算分析方法和现场脉动测试分析方法，提出了荷载试验方案，并以台广大跨度悬索桥为工程实例，计算了桥梁在等效荷载作用下各参数的理论值，并与现场实际加载状态下各参数的实测值进行了对比分析。结果表明：台广大桥受力性能和正常使用状态极限承载力满足设计荷载等级公路Ⅱ级要求，结构状态良好，符合通车条件。

［1］崔国宏，沈东强，高丽，等.新保安大桥成桥静动载试验研究［J］.铁道建筑，2007（8）：5-7.