某公路桥荷载试验研究

刘耀东, 曹红焱, 唐 齐, 张若钢, 薛其林

(1 湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068; 2 中铁大桥武汉桥梁科学研究院，湖北 武汉 430068)

某公路桥荷载试验研究

刘耀东1, 曹红焱1, 唐 齐1, 张若钢2, 薛其林2

(1 湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068; 2 中铁大桥武汉桥梁科学研究院，湖北 武汉 430068)

依据静载试验所需工况，活荷载在设计范围内最不利桥梁安全位置，按理论公式和规范中相应的标准计算得出参数。采用了midas/civil有限元模型模拟各工况下桥梁内力和位移的变化，发现结构在试验所给荷载下的桥梁实际运行状态，分析在役桥梁工作状态下，判定其安全承载能力与设计值是否在规范允许值内，比较理论下的静、动力计算结果和实际试验结果，并结合相关规范，分析理论结果及试验结果，评价其桥梁状况。

恒荷载; 动荷载; 活载挠度

桥梁荷载试验是直接进行表面检测，通过荷载试验桥梁各构件内力、应力及位移.直接测试成桥工作的状态。分析出成桥实际承受荷载能力的限值。检验成桥目前状态与设计使用年限是否满足要求。分析其最直接和最有效的方法就是进行荷载试验，测试结构的强度、刚度。通过理论计算和试验的结果能准确且全面反馈桥梁现状。主桥上部结构设计为全应力混凝土三跨连续箱梁(图1)，箱梁腹板变截面线形近似于2.0次抛物线。(图2)。

图 1 某桥立面布置图(cm)

图 2 某桥横断面布置图(cm)

1 静载试验

桥梁各控制截面的应力及结构变形是判定桥梁结构在静力作用的主要标准，从而静载试验测试参数判定桥梁结构服役状态与设计规范值是否相符，同样它也是最直接、最有效、最全面检验桥梁性能及运行状态。

根据静载试验理论公式，活载所在最不利参数按下列公式所定原则等效换算[2]而得：

0.80≤η=Sstat/S(1+μ)≤1.00

(1)

对于平面应力状态下的测点，布置应变测点，先按照以上方法分别计算出三个方向的弹性应变ε弹，然后按照以下公式算出最大主应力、最大剪应力和最大主应力的方向。

(2)

(3)

(4)

(5)

μ为泊松比。

试验荷载根据要求采用轴距1.4m的前一轴后两轴的载重货车加载，每辆车净重均在30t，车辆的立面布置见图3。

图 3 加载汽车轴重、轴距及平面图(m)

采用MidasCivil2012进行分析计算，本桥采用空间梁单元进行模拟，几何参数根据提供的设计图纸输入。主梁采用空间梁单元[3]，全桥模型共包括57个空间梁单元，总节点数为56(图4)。约束条件为：0#桥台、1#墩、3#墩支座为滑动支座，2#墩支座为固定支座，滑动支座及固定支座采用一般支撑来模拟，滑动支座顺桥位移向不约束。

图 4 某公路桥有限元模型示意图

图5为主梁在活载作用下的弯矩及位移包络图。

图 5 活载弯矩图(kN.m)

篇幅有限，仅列出轮位5作用下5-5截面最大正弯矩对称加载下应力，均小于计算值，5-5截面顶板测点校验系数为0.66，底板测点校验系数为0.51。残余应变较小，荷载作用下残余应变率均在20%以内，说明结构处于弹性工作状态。主梁实测挠度均小于理论计算值，校验系数在0.64～0.86之间。其挠度曲线见图6。

图 6 轮位5加载主梁挠度曲线图

在试验荷载作用下，受力控制断面的实测应力均小于计算值，校验系数在0.50～0.88之间，实测应力在正常范围之内,梁体强度满足设计要求。 在试验荷载作用下，各跨跨中挠度测试结果与计算值较吻合，校验系数在0.50～0.88之间，实测结果也小于规范限值(L/600), 表明梁体抗弯刚度满足设计要求。在偏心荷载作用下，最大偏载系数为1.07[4]，在通常设计值范围内，满足设计要求。

2 动载试验

动载试验：施加桥梁车辆荷载或者是环境荷载，随之桥梁结构发生振动，通过仪器测量反应出桥梁本身的频率、阻尼比、振型、冲击系数、动力响应等参数构件[5]，从而判断桥梁结构当前运行的整体动力刚度、行车性能。动载试验主要包括脉动试验和强迫振动试验两部分(无障碍行车试验、有障碍行车试验)测试两种工况下桥梁的自振特性和在车辆荷载作用下的动力响应 篇幅有限仅列出该桥第二跨跨中原地跳车试验，其测点及振动测试结果见表1。

表1 笃实桥第二跨跨中原地跳车试验各测点振动测试结果 mm

从表1可以看出：第二跨跨中原地跳车时，主桥竖向测点振幅最大值为0.62mm，桥梁横向实测点的振幅均不大于0.13mm。说明该桥面平整度较好。

冲击系数测试结果及分析

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)，冲击系数的取值为：

当f<1.5 Hz时，μ=0.05；当1.5 Hz14 Hz 时，μ=0.45；桥梁结构实测基频为1.65 Hz，设计冲击系数取值为0.073。

动应变测试跑车试验冲击系数实测值见表2。图7为30 km/h跑车试验第二跨跨中处箱梁底板动应变时程曲线。可以看出，实测冲击系数最大值为0.062，平均值最大为0.050，小于设计冲击系数值0.073，符合规范要求。

图 7 笃实桥跑车试验第二跨跨中应变时程图

车速/(km·h-1)次数12100．0320．043200．0490．051300．0570．062400．0530．054最大值0．062均值0．050

根据实测数据，公路桥竖向振动一阶频率为1.65 Hz，实测低阶频率均大于计算值1.22 Hz，表面实际桥梁动力刚度满足设计要求。实测上部结构的自振频率的数值基本上都在理论计算频率的1.10倍以上，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，笃实桥主桥自振频率评定标度为1。

实桥实测桥梁，阻尼比最大值不超过1.962%，最小值不低于1.537%，都在允许范围之内。

进行跑车试验时，实桥竖向振幅均小于0.76 mm，竖向振幅随着车速提高，有缓慢增大的趋势，但并不明显；其横向振幅最大值均不超过0.18 mm，横向振幅与车速的关系不明显，

一般在均值附近波动。第二跨跨中原地跳车时，主桥竖向测点振幅最大值为0.62 mm，横桥向测点振幅最大值为0.14 mm。笃实桥实测冲击系数最大值为0.062，平均值最大为0.050，小于设计冲击系数值0.073，符合规范要求。

3 结论

公路桥在相当于设计荷载等级的试验荷载作用下，通过测试大桥的应力、变形、动力响应等测试参数可知：应力及挠度实测结果均小于计算值，桥梁结构处于弹性工作状况，桥梁实际强度及刚度满足设计及规范要求，测试的结果能全面准确地反应出桥梁日常使用过程的工作性能，桥梁工作性能满足设计和安全运营要求。桥梁服役过程中，应重视桥梁结构的管养工作，减小动荷载的冲击效应。

[1] 陈永耀，成平，周荣贵, 等. 公路工程技术标准(JTGB01-2003)[M]. 银川：宁夏音响出版社，2003.

[2] 龙志刚. 浅谈连续钢构桥荷载试验 [J].黑龙江交通科技，2014，8(4):99-101.

[3] 颜永先,胡美,李晓娅.基于灵敏度分析的大跨桥梁结构有限元模型优化研究[J].浙江交通职业技术学院学报，2014，9(3)：16-21.

[4] 叶青, 胡美. 基于荷载试验的大跨斜拉桥有限元模型修正方法研究[J].佳木斯大学学报,2015，3(3):391-394.

[5] 张武毅，汤建林. 大跨径钢箱梁斜拉桥静载试验研究[J]. 浙江交通职业技术学院学报,2014，6(2):1-6.

[责任编校： 张岩芳]

Load Test Research of Highway Bridge

LIU Yaodong1， CAO Hongyan1， TANG Qi1， ZHANG Ruogang2， XUE Qilin2

(1SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China2BridgeeSci.ResearchInstituteLtd,ChinaRailwayMajorBridgeEngin.Group,Wuhan43003，China)

According to the number of static load tests required to load and conditions of each wheel position vehicle arrangement, and the most unfavorable safety condition, the paper obtains the equivalent parameters based on the standards of theoretical formula and design. Simulation of the bridge Changes of internal force and displacement of each condition model have been conducted. adopting midas / civil finite element to directly understand real working state of the bridge structure under the test load. It has also tested the bridge actual bearing performance and design calculation to evaluate whether the actual bearing capacity and its performance is within design using load. With static and dynamic calculation results compared with those of the load test,and combined with the relevant specification, it has finally determined whether the structure bearing capacity and working performance meet the design and specification requirements.

the constant load; dynamic loads; the live load deflection

2016-03-21

刘耀东(1969-)， 男， 山东滕州人，湖北工业大学教授，研究方向为桥梁工程

1003-4684(2017)02-0099-03

TU997

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