特大桥悬灌梁成桥荷载试验与分析

吕晓锋

中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300450

1 工程概况

石家庄市和平路高架桥工程主桥上跨石家庄市和平西路和石太铁路，主桥为单箱三室截面，顶、底板采用U形加劲肋，采用跨径为2×125 m的单索面钢箱叠合梁钢管混凝土系杆拱桥，跨径布置为125 m＋125 m＝250 m。道路中心线处梁高3.2 m，桥面双向横坡1.5%，梁底横桥向水平，顺桥向每隔2.5 m设置横隔板1道。顶板厚度为16、20 mm，腹板厚度为16、20、24 mm，底板厚度为14、20、26 mm，隔板厚度为12、20、24 mm。跨铁路主桥工程量为3 725 t。跨铁路匝道桥跨径布置为90 m＋90 m，桥宽7 m，全长180 m，为变截面钢箱梁T构。跨铁路孔由90 m的边跨跨越。桥面纵坡相对于主跨中心线对称，坡度为1.45%，其中主跨及部分边跨处于R=30 000 m的圆弧竖曲线上，主梁为两侧带悬臂的单箱单室钢箱梁，其顶板为正交异性板结构。跨铁路匝道工程量为891.6 t。

2 结构特点

由于大跨径连续刚构桥上部分主梁连续，所以具备较大的跨越能力和连续行车的优点，在这个桥梁形式中，主梁、桥墩以及基础结构都成为了一个整体，整个结构可以更加合理的受力。该桥梁形式具有结构简单、外形匀称以及适应性强等特点，能够保证整体的刚度及通车安全。桥墩自身的变形可以消除混凝土收缩徐变以及温度效应产生的挠度。连续刚构桥的具体特点如下[1-4]：

1）多次超静定结构。大跨径连续刚构桥在结构上属于多次超静定结构，具有多余的约束，混凝土收缩徐变、温度效应以及预应力作用可能会引起桥梁结构的内力和位移变化。为减少这些问题，一般采用水平抗推刚度较小的空心高墩或双薄壁墩等形式。

2）具有一定的刚度。桥墩固结且有多个主墩，每个主墩都有一定的刚度。

3）成本较低。该桥梁形式不需要在桥墩处设置伸缩缝，可有效地节约在设计和修建过程中对于支座设计、养护和更换的费用。

4）抗震性能优良。地震发生时，地震水平分力分配后分别作用到每个桥墩上，因此不需要专门设置制动墩或修建抗震支座，可以节省成本。

5）受力性能良好。桥身的柔度能适应混凝土收缩徐变以及温度变化而引起的弹塑性变形，因此大跨径连续桥梁受力时，其梁墩结合处有等同于钢架的受力性质，具有较好的受力性能。

3 施工仿真分析

3.1 变形控制

任何施工方式建设的大桥都会出现一些问题，特别是桥梁的弯曲变形现象。这需要施工人员在施工时就控制好桥梁的实际标高，并应使其落在设计允许误差的范围之内，否则就需要进行调整。因此，保证桥梁不发生弯曲变形是一件非常重要的事情，这决定了桥梁是否能够正常地完成修建。

3.2 应力控制

桥梁在进行建设的过程中，所受到的应力状态是会发生改变的，所以需要实时了解桥梁在施工过程中的应力状态，并将其与设计值进行对比分析，及时调整误差，从而保证所建桥梁是合理的。

4 工程成桥试验

4.1 成桥试验的核心思想

本次试验的主要目的是通过对新建桥梁的成桥试验，来测试桥梁的整体运行能力，对其是否具备安全可靠的运行方式，应用相关试验方法予以检验，并对施工质量做进一步的明确。这也为正在施工的特大桥悬灌梁提供基础性的预防与预测，明确竣工后可能达到的质量效果。本次试验共从两方面入手，一是桥梁的静载试验，二是动载试验。静载试验通过对车辆及行人在桥上的模拟，可以提前知道桥梁的极限荷载，并对桥梁的安全性与适用性给出准确的评价，对可能出现的施工质量问题，提前做好准备工作。动载试验是通过试验的模拟，经结构动力反应的检测与观察，对桥梁在不同使用阶段出现的反应做出准确判定，并对各使用阶段应注意的项目进行充分了解。对成桥进行相关试验，可为以后同类桥梁的建设提供更为丰富的参考数据。

4.2 成桥试验步骤

4.2.1 静力荷载试验

首先确定车辆位置，进行预加载，利用同等功能的设计荷载来发挥桥梁试验的关键效应。这里需要知道桥梁所具备的结构特征与性能，对桥跨进行断面挠度的检验与观测，并在观察阶段进行实时数据采集，结合理论进行对比分析，明确实际与理论存在的不同，并采取数理评定的方法，确定桥梁正常使用下的极限荷载状态，由此判断该成桥能否正常投入使用及达到的安全等级（图1）。

图1 静力荷载试验模拟

监控截面的选择并没有局限性，试验人可根据现行桥梁规范的标准要求进行选择。图1中2-2截面距离3#主墩中心线的伸缩缝位置为95 m，另外两处分别为4-4截面和5-5截面，相应距离分别为23 m与317 m。本次试验采取有限元软件构建模型，并对结构内力产生的反应进行测算（图2、图3、表1）。

图2 最大设计弯矩的活载

图3 最小设计弯矩的活载

表1 监控截面活载设计弯矩值

加载效率系数是指控制断面的实际加载车辆产生的效应与设计荷载产生的效应之间的比值，这个比值系数用符号η表示，η的取值范围应满足：0.95≤η≤1.05。

静力荷载试验下桥跨结构的计算效应值用Sx表示，监控荷载作用下的桥跨结构最不利的效应值用S表示，在计算前，应先行计算汽车荷载冲击系数。对于不同的试验工况，用专门的桥梁分析软件进行计算，可以得到每个监控截面的内力情况，不同荷载工况的加载效率系数也不同，具体的情况如表2所示。

利用电子水准仪来测量主梁的挠度变形，在施工阶段通过预先埋设的振弦式传感器来进行桥梁上应力的测量，并且利用振弦读数传感器将这些数据级逆行采集，就可以得出主梁的挠度变形，本次试验所采用的车辆质量如表3所示。

表2 静载试验各工况加载效率系数

表3 加载车辆称重的质量

实际工况是按总车辆数分3次进行加载，每一次分别为50%、70%、100%，上下桥的车辆必须按序进行。上桥时开始记录，当所有需要加载车辆到达指定位置之后，停顿10～15 min，然后开始正式读数。在一组项目测试完成无误后，就可以开始下一个工况的测量。

4.2.2 动力荷载试验

通过模拟可以了解桥跨结构的刚度、自振基频和阻尼系数，通过检测动力荷载作用下的应变反应，能够很好地预知桥梁整体运行中会出现的问题，并根据不同问题采取补救措施，提出意见和建议，有效防止运营后事故的发生（图4）。

跳车试验的方法是采用2辆相同质量的翻斗车（25 t），测量这2个翻斗车中长20～30 cm的枕木落下时对桥跨结构产生的瞬时冲击，以测量结构的自振频率和阻尼。动态测点的位置分别在主桥中跨的跨中截面、1/4截面和3/4截面处。

动载的试验测试数据分析表明，该桥二阶自振频率为28.1 Hz，阻尼比β为10.6%～61.3%，而对应的理论计算二阶频率为12.1 Hz。

通过数据我们可以知道，实际测得的频率大于理论计算值，表明桥跨结构实际刚度较大，振动响应较小，行车性能比较正常，能够达到设计的荷载要求。同时通过实际的动载试验，可以测得和分析得出桥梁的冲击系数为0.035。通过实际的几种测试，包括地脉动、跳车试验，可以通过它们加速时所得的时程曲线及频谱数据，得知依托工程具有较小的振动响应，具有良好的行车性能。

5 结语

本文对背景工程分别进行成桥的静力荷载试验和动力荷载试验，通过试验数据可以看出，石家庄市和平路桥梁工程一号桥的各个断面都能够表现出较好的受力状态，满足之前的设计要求，而且各个截面的应力和变形都较为合理，所以施工控制是非常有必要的[5-7]。通过检测动力荷载作用下的应变反应，能够很好地预知桥梁整体运行中会出现的问题，有效防止运营后事故的发生，保证桥梁能够正常良好地投入使用。