基于荷载试验的三跨简支斜桥承载能力研究

贾毅++廖平++王永宝++赵人达

摘要：为了解某宽跨比较大的三跨简支斜桥在正常运营状态下的安全性和不利状态下的承载力，基于试验方法研究了在偏载和中载等不利荷载工况下的主梁应力和变形。通过脉动试验、无障碍行车试验、有障碍行车试验研究了该桥的自振频率、不同行车速度下的变形响应及跳车试验下的冲击作用，将测试结果与有限元结果进行了对比。结果表明：跨中截面中载为最不利荷载工况，在不利荷载工况下，实测应变和挠度均小于计算值，主梁变形和混凝土应力均满足规范要求；当行车速度在30 km·h-1以内跑车试验时，各跨冲击系数为1.094～1.192；当行车速度为10 km·h-1跳车试验时，各跨冲击系数为1.147～1.195；该桥的结构强度和刚度具有一定的富裕度，能较好地满足实际运营状况。

关键词：荷载试验；简支斜桥；效率系数；自振特性；校验系数；承载能力

中图分类号：TU312文献标志码：A

Research on Bearing Capacity of Threespan Simply Supported

Skew Bridge Based on Load TestJIA Yi， LIAO Ping， WANG Yongbao， ZHAO Renda

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， Sichuan， China）Abstract： In order to understand the security under normal operation state and the carrying capacity under adverse conditions of a threespan simply supported skew bridge with large widthspan ratio， the stress and deformation of the main beam under the condition of unbalance load and medium load were studied based on the test method. The natural vibration frequency， deformation response under different diving speeds and the impact action of bridge under vehicle jump test were studied through pulse test， barrierfree driving test and obstacle driving test， and the test results were compared with the finite element results. The results show that the midspan section under medium load is the most unfavorable load condition. The measured values of strain and deflection are less than the calculated values under the unfavorable load conditions， and the deformation of the main beam and the stress of concrete both meet the requirements of the specification. When the speed is within 30 km·h-1 in barrierfree driving test， the impact coefficients of each span are 1.094 to 1.192. When the speed is 10 km·h-1 in obstacle driving test， the impact coefficients of each span are 1.147 to 1.195. The structural strength and stiffness of the bridge are rich， which can meet the actual operating conditions well.

Key words： load test； simply supported skew bridge； efficiency coefficient； natural vibration characteristic； calibration coefficient； carrying capacity

0引言

隨着中国国民经济的日益增长，公路交通事业得到迅猛发展，桥梁工程又是公路交通的咽喉，其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通。由于中国许多早年建成的桥梁其设计荷载等级偏低，并且绝大多数桥梁未进行耐久性设计，受运营荷载影响，许多桥梁已出现各种病害和损伤，迫切需要对这些桥梁进行承载能力评定，以保证桥梁结构的运营安全和满足耐久性要求[13]。

现场荷载试验是评定桥梁承载能力的主要技术手段之一，即通过在实际结构上采用与设计荷载等效的试验荷载进行加载，测试桥梁各主要受力构件的作用效应，并与理论计算结果进行对比，从而推定结构的安全储备和可靠度[4]。目前中国学者和工程师对桥梁进行了大量的荷载试验与理论研究，并取得了一定的研究成果[511]，但是对多跨简支斜桥的荷载试验研究较为欠缺。斜桥相对直桥而言其受力更为复杂，并且其数量在中国中小跨径桥梁中占有一定的比例，因此开展简支斜桥荷载试验研究具有重大的理论价值和工程实践意义。

本文以曲靖市南宁北路的白石江桥为工程背景，通过对该桥进行现场荷载试验，测试简支斜桥在静载、动载下的性能参数，分析其实际运营状况，综合评定桥梁结构的运营状态安全性，为桥梁荷载试验相关规范的编制提供一定数据储备和理论依据。

1工程概况

白石江桥位于曲靖市南宁北路，桥梁上部结构为三跨预制空心板斜桥，每跨由26片空心板组成，斜交角为45°。下部结构为框架式柱型桥墩，两端为重力式桥台，钻孔灌注桩基础。该桥全长为39.4 m，梁高0.76 m，桥面宽度为4.8 m（人行道）+19.4 m（桥面净宽）+4.8 m（人行道），桥面铺装为10 cm厚沥青混凝土和5 cm厚素混凝土，采用坡度为2%的双向横坡，双向4车道，桥梁设计荷载为城市A级。桥梁结构侧立面和空心板横截面如图1所示，其中，L为每跨计算跨径。图1桥梁结构示意（单位：cm）

2桥梁荷载试验方案

2.1桥梁静载试验

静载试验是通过施加静力荷载检验结构主要受力部位在最大（最小）内力状态下的应力和变形[1215]。试验加载位置一般选取结构的关键截面，并且按照内力等效的原则确定试验荷载的大小和加载位置，使结构关键截面内力在试验荷载作用下与设计荷载作用下近似相等，同时确保结构在各试验工况下处于安全状态[1618]。桥梁静载试验主要测试结构在试验荷载作用下控制截面的应力、应变、挠度、卸载后的残余应变以及残余变形，同时试验过程中还应观察有无新裂缝的产生以及是否有异常的振动、声响等其他异常现象。本文静载试验采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH3819静态信号测试分析系统采集桥梁结构的静态应变，现场应变采集系统如图2所示。静载试验采用装载后总质量为30 t的双桥自卸车作为试验加载车辆，现场加载试验车如图3所示。

2.2桥梁动载试验

桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应等参数的试验，从而判断桥梁结构的整体刚度有无降低和运营性能是否安全[1922]。本文桥梁结构的动载试验包括脉动试验、无障碍行车试验、有障碍行车试验3个试验。

桥梁结构的动力特性是结构振动系统的基本特征，是进行结构动力分析所必需的参数。桥梁结构的动力特性只与结构本身的固有性质有关，如结构的组成形式、刚度、质量分布、支撑情况和材料性质等，而与荷载等其他条件无关[23]，本文桥梁结构的动力特性通过脉动试验获得，采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH105压电式加速度传感器。

无障碍行车试验用于测试桥面铺装层完好时运行车辆荷载作用下桥跨结构的动力反应，模拟正常行驶状态。本文试验采用1辆30 t的货车分别以10，20，30 km·h-1的速度通过桥梁，采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH5908动态信号测试系统采集桥梁结构的动态应变。

有障碍行车试验模拟桥面铺装局部损伤情况下桥跨结构在车辆荷载作用下的动态应变反应。采用宽度30 cm、高度7 cm的弓形障碍物模拟桥面坑洼行车，障碍物布置在跨中等结构冲击效应显著的部位。用1辆30 t的货车以20 km·h-1的速度通过桥梁，测试并计算桥梁的实际冲击系数。

2.3控制截面及加载工况

为了满足桥梁承载力评定的要求，测试截面选择时根据桥梁结构的内力包络图，按照最不利受力原则选定[12]。为全面评定该桥承载能力状况并结合该桥实际情况，选取每跨跨中截面作为应力、应变测试截面，每跨L/4，L/2，3L/4处的截面作为挠度测试截面，并确定了6个加载工况，每个工况均在跨中截面进行加载，见表1。为确保试验安全进行，上述加载采用分级加载方式进行，每级荷载为2辆试验车，卸载工况按加载的反方向进行，直至全部卸载完毕。工况1和工况2车辆加载布置如图4，5所示，工况3～6车辆加载布置与工况1和工况2类似。

2.4测点布置

为测试该桥在试验荷载作用下关键部位的挠度，全桥共布置了45个挠度测点，每跨布置15个挠度测点。在L/4截面、跨中截面和3L/4截面分别布置5个测点。利用徕卡DNA03型电子水准仪配合铟钢条码水准标尺测试桥梁在试验荷载作用下的挠度，测试精度为±0.1 mm。

应变测点布置于空心板跨中位置板底混凝土上，在每跨的4#～23#板底分别设置1个应变测点，为了消除混凝土开裂以及其他试验因素对应变测试的影响，在每个应变测点纵桥向平行粘贴3个应变片，试验结果取3个应变片的平均值作为该应变测点的实测值。障碍行车试验应变测点布置方式、位置与无障碍行车试验相同。

为测试桥梁结构自由振动时的加速度时程曲线，在每跨桥面上支座、L/4、跨中、3L/4位置布设1个加速度传感器，每跨共设置5个加速度传感器。该桥三跨均需进行脉动试验，且每跨加速度传感器布置位置一样。

2.5荷载试验流程

在试验开始前，先将部分试验车布置在试验跨的桥面跨中位置附近进行预加载。为保证试验安全，避免过载引起桥梁损坏，试验车辆采取分级加载，待车辆产生的应力和挠度在理论估算范围之内后再进行下一级加载。桥梁荷载试验采取中断交通夜间测试的形式，本文荷载试验共采用4辆加载车，荷载试验流程见表2。

表2荷载试验流程

Tab.2Procedure of Load Test加载顺序试验跨加载形式工况编号荷载分级1第1跨静载11级（偏载）2第1跨静载22级（中载）3第2跨静载31级（偏载）4第2跨静载42级（中载）5第3跨静载51级（偏载）6第3跨静载62级（中载）7第1～3跨动载无障碍行车3级（双向）8第1～3跨动载有障碍行车1级（双向）9第1～3跨动载脉动试验3理论计算

3.1计算模型

采用有限元分析软件MIDAS/Civil建立该桥试验模型，主梁采用梁单元进行模拟，空心板横向联系铰缝采用铰刚接模擬，支座采用节点弹性支撑模拟，全桥基于空间梁格理论进行建模分析。按照相关桥梁设计规范的规定，考虑桥梁实际运营荷载情况，对桥梁荷载试验规范中各项指标进行核算，主要是试验荷载作用下的荷载效率系数，并按影响线确定试验荷载的大小和位置[1517]，计算试验荷载作用下主要测试截面的应力（应变）、竖向位移等，并将其作为试验的期望值，这样可对现场实测数据进行校核以便及时发现试验过程中可能出现的异常情况[4]。桥梁有限元计算模型见图6。

3.2静载试验效率系数

以设计荷载作用下截面最不利的控制内力作为加载控制依据，按照控制内力等效的原则，通过试算确定加载车辆的数量和加载位置，使控制截面的试验荷载效率系数满足相关规程的要求，对于承载能力鉴定性荷载试验，荷载效率系数ηq宜介于0.95～1.05之间[12]。试验前对试验加载车辆进行过磅称重。静力试验荷载效率系数ηq按下式计算

ηq=SstatS（1+μ）（1）

式中：Sstat为静力试验荷载作用下某加载试验项目对应的加载控制截面内力或变形最大计算效应值；S为控制荷载产生的同一加载控制截面内力或变形最不利效应计算值；μ为按规范选取的冲击系数[12]。

根据标准活载与试验加载的计算结果得到静载试验效率系数，计算过程中分别提取每跨13#空心板ⅠⅠ，ⅡⅡ，ⅢⅢ控制截面的弯矩值，从而可得到该桥静载荷载效率系数为0.976～0.983，介于0.95～1.05范围内，满足相关规范要求[12]。荷载效率系数如表3所示，试验荷载和标准荷载作用下13#空心板的弯矩图如图7，8所示，通过弯矩图可以得到荷载作用下最大弯矩值和相应的极值截面。

4荷载试验结果分析

4.1挠度测试结果

对桥梁结构在静载作用下的挠度测试结果进行初步分析可知，挠度测试最不利情况是在每跨满载时，因此仅对工况2，4，6下挠度实测数据进行处理分析。静载试验工况2，4，6下各跨挠度测点的实测结果、理论计算结果、挠度校验系数和相对残余变形如图9～11所示。

4.2应变测试结果

对桥梁结构在静载作用下的应变测试结果进行初步分析可知，应变测试最不利情况为每跨中载时，因此仅对工况2，4，6下应变实测数据进行处理分析。在静载试验工况2，4，6下各跨控制截面的应变实测结果、理论计算结果、应变校验系数和相对残余应变如图12～14所示。

4.3自振特性和冲击系数

根据脉动试验原理测试桥跨结构关键位置的加速度时程曲线，经频谱分析处理后得到桥梁的固有频率为8.781 Hz，通过有限元软件计算的结构理论基本频率为9.032 Hz。对汽车荷载激振作用下的桥梁振动衰减曲线进行计算分析，可以获得桥梁结构的振动参数，经计算该桥阻尼比为0.783。表4给出了各跨跑车试验和跳车试验下冲击系数测试值。从表4中可以看出：当行车速度在30 km·h-1以内跑车试验时，各跨冲击系数范围为1.094～1.192；当行车速度为10 km·h-1跳车试验时，各跨冲击系数范围为1.147～1.195。跑车试验和跳车试验下该桥的冲击系数测试值均小于1.2，满足规范相关要求。5结语

（1）桥跨结构的挠度校验系数介于0.70～0.90之间，挠度校验系数未超出规范值1.0，表明桥梁结构刚度具有一定的富裕度，结构实际工作性能良好。桥跨结构的应变校验系数介于0.71～0.93之间，应变校验系数未超出规范值1.0，表明桥梁结构强度具有一定的富裕度，结构实际工作性能较好。

表4各跨冲击系数测试值

Tab.4Test Values of Impact Coefficient for Each Span试验跨试验工况行车速度/（km·h-1）冲击系数第1跨跑车试验101.121201.132跑车试验301.166101.186第2跨均匀跑车试验101.167201.181跳车试验301.192101.195第3跨均匀跑车试验101.094201.102跳车试验301.136101.147（2）各工况卸载后相对残余变形和应变最大值分别为10.5%，9.8%，均未超出规范限值20%的规定，表明该桥在试验荷载下无较大不可恢复变形。

（3）该桥自振测试结果显示，其第1阶竖向频率为8.781 Hz，阻尼比为0.783，跑车试验下冲击系数为1.094～1.192，跳车试验下冲击系数为1.147～1.195。测试模态与理论模态吻合较好，说明桥梁结构具有良好的整体刚度，各跨冲击系数均小于1.2，说明该桥桥面铺装完整、平顺，行车舒适。

（4）综合分析可知，桥跨结构在正常使用状态下的承载能力满足城A荷载等级的要求。参考文献：

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