先简支后结构连续梁桥现场静载试验与评估

许智强，邹建波，纪云涛，李友河

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.云南省公路科学技术研究院,云南 昆明 650000)

先简支后结构连续是将预制好的简支T梁架设在临时支座上，然后再立模浇筑混凝土使各简支梁成为一个连续的整体，待达到强度后拆除临时支座，完成体系转换。先简支后结构连续体系具有变形小，伸缩缝少的优点，有效避免了简支梁桥的波浪式跳车及伸缩缝损坏的问题[1]。

荷载试验是检验桥梁性能及工作状态(如结构的强度、刚度)最直接有效的方法[2-3]。对于大跨桥梁在建成通车之前需要进行成桥荷载试验，从而对结构的受力性能和承载能力进行全面评定[4-5]。文献[6]对大跨度悬索桥进行了静动载试验。文献[7]对跨径510 m的安庆长江大桥进行了荷载试验，测试各关键部位的变位和应变。文献[8]对公铁两用的芜湖长江大桥进行荷载试验，以评估该桥采用新技术、新工艺后的行车安全性。

本文以沾会(沾益—会泽)高速公路上的打车沟特大桥第5联为依托，通过现场静载试验，测试桥梁结构在试验荷载作用下各关键部位的静力响应，从而评估该桥的实际承载能力和工作状态，并建立技术档案，为今后该桥的运营、管养、检测提供基础数据。

1 工程概况

打车沟特大桥位于沾益至会泽段高速公路第2合同段，主桥为25×40 m预应力混凝土T形梁桥。全桥共8联：3×40+2×40+3×(4×40)+2×(3×40)+2×40 m，共设9道伸缩缝。车道布置为双向2车道，设计荷载为公路-I级荷载。上部结构采用预应力混凝土T梁，采用先简支后结构连续。下部结构桥墩采用钢筋混凝土圆形双柱墩和空心、实心方墩，钻孔灌注桩基础。本文对其第5联4×40 m预应力混凝土T形梁荷载试验过程及结果进行分析。

2 静载试验评定标准

2.1 静载试验效率

荷载试验应尽量采用与控制荷载相同的荷载，当客观条件限制使得试验荷载与控制荷载存在差别时，为保证试验效果，在选择试验荷载大小和加载位置时采用静载试验效率η进行控制[9]。η应介于0.95～1.05之间。η计算公式为

η=Ss/S

(1)

式中：Ss为静载试验荷载作用下控制截面内力计算值；S为计入冲击系数(1+μ)的控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值，μ为按规范选取的冲击系数。

2.2 结构校验系数

结构校验系数ζ是评定桥梁结构工作状况和承载能力的一个重要指标。当结构校验系数ζ<1时，代表结构实际状况优于理论状况[10]。ζ计算公式为

ζ=Se/Sn

(2)

式中：Se为试验荷载作用下的实测弹性应变或位移；Sn为试验荷载作用下的理论计算应变或位移。

2.3 相对残余应变

控制测点的相对残余应变ΔS越小，说明结构越接近弹性工作状况，一般要求ΔS不大于20%[9]。ΔS计算公式为

(3)

式中：Sp为试验荷载作用下测点的实测残余应变或位移；St为试验荷载作用下测点的理论计算应变或位移。

3 静载试验方案

3.1 试验工况及测点布置

为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[10]。为全面评估该桥的承载力，测试桥梁14#跨和15#跨跨中的最大弯矩。本桥确定2个荷载工况，工况一为跨中截面偏心加载；工况二为跨中截面对称加载。车辆横向布置如图1所示。

图1 试验车辆横向轮对布置

应变测点中选择每跨L/4,2L/4,3L/4(L为跨度)截面布置测点，共计30个应变测点。挠度测点中选择每跨支点、L/4,2L/4,3L/4截面布置测点，总共45个挠度测点。

3.2 试验方法与仪器

根据计算，本桥试验采用6辆36 t的双后轴汽车加载，其中，前轴重7.0 t，2个后轴各重14.5 t，轮距1.8 m，试验用车模型如图2所示。

图2 试验车辆模型

应变测试时在主梁控制截面表面布设尺寸为100 mm×3 mm、电阻为120±0.1 Ω的应变片，采用DH3819N静态应变测试系统，并结合BX120-100AA型电阻应变片进行测试。挠度测试时在主梁控制截面下缘布设棱镜，采用TCA1800新型徕卡全站仪进行测试。

3.3 试验加载控制

根据JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》要求，在正式试验之前，应通过预加载使结构进入正常工作状态，消除结构的非弹性变形。使用4辆加载车对试验桥跨进行预加载。预加荷载持续15 min后卸至零荷载，待结构得到充分的零荷载恢复后，再正式进行加载试验。根据静载分级加载原则，本桥试验荷载按控制截面最大内力分3级加载，每级加载时，车辆荷载逐辆驶入预定加载位置。必要时在试验荷载未到达预定加载位置前即对测点进行读数以确保安全。同时应注意加载过程中其他截面内力亦应逐渐增加，且最大内力不应超过控制荷载作用下的最不利内力。正式加载试验分别按加载工况序号逐一进行。完成一个加载工况的试验后，应使结构完全卸载并在其变形充分恢复后方可进入下一工况。

此外，在加载过程中应注意观察新裂缝出现时的情况，记录新裂缝出现时的对应荷载，描述新裂缝的位置、方向、长度、宽度以及卸载后的闭合情况。观察并描述已有裂缝的长度、宽度等扩展情况[8]；还应注意是否有异常振动、声响等其他现象。

3.4 有限元分析

利用有限元软件MIDAS/Civil模拟先简支后结构连续桥梁结构建立空间计算模型，计算模型中墩、梁采用梁单元模拟，墩底固接，主梁和墩顶根据支座参数确定主从连接刚度。分别计算各工况下桥梁结构的挠度及应变，并与试验值进行对比。

4 静载试验结果分析

4.1 位移试验结果分析

在试验荷载作用下受检桥跨各测点位置挠度实测值和理论值的对比见图3，其中位移以向下为正。由图3可知，各荷载工况下的实测竖向挠度值与理论挠度值变化规律基本一致，但偏载状况(工况一)的挠度值受桥梁荷载横向分布系数影响，其5#T梁测点处实测挠度值略微超过理论值。

图3 不同工况下T梁挠度结果

4.2 应变试验结果分析

在试验荷载作用下受检桥跨各测点位置应变的实测值和理论值的对比见图4，其中应变以受拉为正，受压为负。由图4可知，各荷载工况下的实测应变值与理论应变值变化基本趋势一致，说明该桥工作状况良好。

图4 不同工况下T梁应变结果

4.3 校验系数和残余应变

挠度校验系数见图5(a),各工况下挠度校验系数均<1；应变校验系数见图5(b)，各工况下应变校验系数亦<1。说明该桥工作状况良好，结构实际状况优于理论状况。

图5 不同工况下的校验系数

在弹性变形的基础上，分析位移的残余变形，计算结果如表1所示。可以看出，各工况下试验荷载卸载后梁体恢复较好，最大残余变形出现在工况二的4#梁体上，其值为8.16%。在弹性变形的基础上，分析残余应变，计算结果如表2所示。可以看出，各工况试验荷载卸载后梁体恢复较好，最大残余应变出现在工况二的1#梁体上，其值为6.78%。结果整体近似处于弹性工作状态，满足规范要求。

表1 不同工况下相对残余位移 %

表2 不同工况下相对残余应变 %

5 结论

1)在试验荷载作用下，各测点挠度校验系数和应变校验系数均<1，满足规范要求，表明桥梁工作状况良好，具有一定的安全储备。

2)各荷载工况下的挠度和应变实测值与理论值变化规律基本一致，除偏载工况下5#T梁挠度和应变实测值受桥梁荷载横向分布系数影响略微大于理论值外，其余截面各测点的实测值均小于理论计算值，桥梁实际状况较好。

3)在试验荷载作用下，各测点残余变形和残余应变均<10%，未超出规范限值20%，说明桥梁基本处于弹性工作状态，整体刚度较大。

4)在试验荷载作用下，桥梁挠度及应变测点附近未发现新产生的裂缝，表明桥梁抗裂性能较好，结构承载能力满足正常使用要求。

[1]赵广敏.先简支后连续桥梁结构受力性能时间历程分析 [D].北京:北京交通大学，2009.

[2]章关永.桥梁结构试验 [M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]张茵涛.在役预应力混凝土梁桥静载试验[J].铁道建筑，2018,58(3):28-30,38.

[4]贾毅，唐利科，李福海，等.基于荷载试验的预应力简支T梁桥承载能力评估 [J].工业建筑，2017，47(4):71-75.

[5]傅光奇,吕梁,贾毅,等.钢板加固简支梁桥静载试验研究[J].铁道建筑，2017,57(6):24-27.

[6]柯红军，李传习，刘建.平胜大桥自锚式悬索桥静载试验与评价 [J].公路交通科技，2009，26(2):53-59.

[7]李晓斌，夏招广，蒲黔辉.安庆长江公路大桥静动载试验研究 [J].公路交通科技，2007(2):73-76.

[8]夏建中.芜湖长江大桥成桥静动载试验 [J].中国铁道科学，2001，22(5):84-87.

[9]唐利科，贾毅，纪云涛，等.高墩大跨连续刚构桥的荷载试验 [J].铁道建筑，2017,57(7):43-46.

[10]贾毅，廖平，王永宝，等.基于荷载试验的三跨简支斜桥承载能力研究 [J].建筑科学与工程学报，2017，34(1):76-83.