大跨径连续刚构桥静动载试验研究

裴 强，王 勃

（1.山东高速科技发展集团有限公司，山东 济南 250002；2.中交公路养护工程技术有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥具有很大的抗弯刚度和抗扭刚度，它既保持了连续梁桥无伸缩缝、行车平顺的优点，同时具有T型刚构不设支座、无需体系转换的优点，因此在工程中得到广泛应用。为验证桥梁结构设计的合理性、检验桥梁工程施工质量，确定工程的可靠性，为交工验收提供技术依据，对新建桥梁进行荷载试验是十分必要的。本文以一座主跨142 m的预应力混凝土连续刚构桥交工验收荷载试验为工程背景，研究连续刚构桥荷载试验的主要工作内容和方法[1-6]。

1 工程概况

某预应力混凝土连续刚构桥，跨径组合为：80 m+142 m+80 m，横断面双幅对称布置，单幅桥面宽为：0.5 m（防撞护栏）+0.25 m+2×3.75 m（行车道）+3.25 m（紧急停车带）+0.5 m（防撞护栏）。设计荷载为公路-Ⅰ级。桥型总体布置见图1，主梁横断面见图2。

图1 总体布置图（单位：cm）

图2 主梁横断面示意图（单位：cm）

2 试验方案

2.1 主要测试内容

（1）主梁控制截面在试验荷载下的应变（应力）；

（2）主梁控制截面在试验荷载下的竖向挠度；

（3）墩底控制截面在试验荷载下的应变（应力）；

（4）在各种车速工况下主要控制截面测点动应变（动应力）、冲击系数等。

2.2 结构内力分析及测试断面选择

（1）基本参数

主梁采用C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa,容重为25 kN/m3。桥面铺装为沥青混凝土，容重为24 kN/m3。

（2）分析模型

根据桥梁结构形式，采用空间有限元分析程序Midas Civil对该桥右幅进行结构分析。全桥共划分为98个梁单元，墩底为固定约束，墩梁固结，梁的两端均约束y、z方向的位移和x、z方向的转动。有限元整体模型见图3～图5，在活载作用下的内力包络图和挠度包络图见图6～图8。

图3 Midas空间分析模型

图4 Midas跨中横断面分析模型

图5 Midas支点横断面分析模型

图6 活载弯矩包络图

图7 活载剪力包络图

图8 活载挠度包络图

依据计算所得的活载内力包络图和挠度包络图，确定结构的最大弯矩截面和最大挠度截面，由此确定试验测试截面。根据分析结果，选定桥梁测试截面为Ⅱ-Ⅱ（边跨0.35 L）截面、Ⅲ-Ⅲ(1#墩墩顶附近)截面、Ⅳ-Ⅳ（中跨 1/4 L）截面、Ⅴ-Ⅴ（中跨跨中）截面及1#墩墩脚截面（Ⅵ-Ⅵ断面）。

2.3 测点布置

2.3.1 挠度测点布置

分别在主跨的L/4、L/2及边跨的0.35 L的桥面处设置挠度测点，在0号台及1号墩处设置测点，以消除桥墩变位和支座变位的影响。每个断面分别在内外两侧布置2个挠度测点。

2.3.2 应变测点布置

（1）正应变测点

箱梁应变测点沿纵桥向布置于Ⅱ-Ⅱ截面、Ⅲ-Ⅲ截面、Ⅳ-Ⅳ截面、Ⅴ-Ⅴ截面。Ⅱ～Ⅴ断面各布置16个正应变（应力）测点，分别布置于箱梁顶板下缘、腹板外侧以及底板下缘。在每个测试断面均布置一个温温度测点，以抵消温度变化对测试结果的影响。

在Ⅵ-Ⅵ断面距承台顶面5 m处布置应变测点。

（2）应变花测点

箱梁应变花测点布置：在Ⅰ-Ⅰ截面最大主应力位置左右腹板上各布置2个应变花测点。

2.3.3 动载试验测点布置

在Ⅱ-Ⅱ断面、Ⅲ-Ⅲ断面、Ⅴ-Ⅴ断面箱梁顶底板上缘各布置1个动应变测点，在箱梁底板布置一个动挠度测点

2.4 加载工况

静载试验按各测试截面最不利效应进行布载，顺桥向加载位置见图1，共分为8种荷载工况，见表1。

表1 荷载工况

动载试验工况取两辆载重汽车分别以30 km/h、40 km/h和50 km/h的速度匀速通过全桥，进行桥梁激振，以测取振动响应信号，对动应变（动应力）和动挠度进行测试。

3 试验结果与分析

3.1 静载试验

3.1.1 挠度

通过对挠度实测数据的分析可知，在与设计荷载效应相当的车辆荷载作用下，测点校验系数均在0.90以下，各控制截面主要测点在不同工况下的挠度效验系数分布见表2。

表2 相应工况下各控制截面主要测点挠度校验系数分布

3.1.2 应变

各试验工况中，各控制截面的实际中性轴与理论中性轴位置接近，箱梁腹板测点应变分布较为规律，应变花实测主应变与理论计算值较为吻合。

在与设计荷载效应相当的车辆荷载作用下，各个工况的应变实测数据有较强的规律性,由于数据较多，仅列出表3工况六（中跨跨中截面）中载应变值及表4工况一（边跨支点截面）在中载应变值，实测最大主拉应变为14με，最大主压应变为-19με，均小于理论值。实测值均小于理论计算值；综合应变分析结果，整座桥梁应力状况符合设计要求。

表3 工况六（中跨跨中截面）中载应变值

表4 工况一（边跨支点截面）在中载应变值

3.2 动载试验

动载工况中可以测得控制截面的最大动应变，将其与相应位置的静应变相比，即可得到冲击系数见表5，动挠度及动应变数值见表6。在动态激励下，实测冲击系数平均值为1.049，按规范方法计算值为1.050，实测冲击系数与根据规范计算的冲击系数非常接近，说明桥梁结构的动力响应性能良好。

表5 冲击系数实测值

4 结论

综上所述，根据有限元计算及现场静动载试验的结果，由挠度、应变、冲击系数等关键指标的实测值和理论值对比可以看出，本桥的结构刚度、承载能力、整体工作性能良好，符合设计和规范要求，可以交付使用。本文采取的荷载试验方法能够较为准确地评价新建桥梁的主要工作指标，可以为同类型桥梁的荷载试验提供参考。

表6 动应变及动挠度数值表

参考文献：

[1]姚玲森.桥梁工程（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]JTG/T J21/2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[3]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[5]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京:人民交通出版社,2002.

[6]谌润水，胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民交通出版社,2003.