组合钢箱梁桥荷载试验检测技术研究

吕 磊 陈 剑

（浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

0 引言

随着桥梁设计施工水平的发展，国内外修建了一批组合结构桥梁。与传统单一混凝土桥梁相比，组合结构桥梁具有自重轻、跨度大的优点。相比钢结构桥梁，组合结构桥梁具有造价低廉，结构整体受力性能更加合理。组合结构桥梁充分发挥了混凝土和钢材各自的受力特性，同时具有经济性优点，日本、欧美各国均较早地开展了对于组合结构桥梁的应用研究，并制定了组合结构桥梁设计施工规范标准[1]。相比国外而言，我国对于组合结构桥梁的应用起步较晚，工程实例较少，因此对于钢-混组合梁桥力学性能进行研究具有重要的理论意义和工程实践价值[2]。

本文以某快速干道组合结构箱梁桥为工程背景，通过静动载试验测试结构的静应力、静应变、自振频率等参数，比较荷载试验并结合空间有限元模型研究了该桥在正常使用荷载作用下的整体受力性能。

1 工程概况

某快速干道工程钢-混组合箱梁桥跨径54m，主桥采用组合梁结构，斜交角75°，设计荷载为公路I级。桥梁宽度为44～45m，上部结构桥面板采用C40标号混凝土，钢材型号为Q345qd。主桥上部组合梁结构采用8片钢梁和混凝土桥面板结合，梁体中心高度2.8m，钢梁和混凝土桥面板采用剪力键连接。组合梁横截面如图1所示。

图1 某机场快速干道组合梁桥横断面图（单位：cm）

2 桥梁有限元计算模型

根据箱梁梁格理论，采用Midas/civil建立有限元模型，采用粱单元模拟单片钢箱梁，采用板单元模拟混凝土桥面板，桥面板单元与钢梁单元通过节点约束方程进行连接，约束条件为共同变形，即不考虑桥面板和钢梁的相对位移效应。

3 试验概况

3.1 试验设备及测点布置

试验主要测试桥梁在车载作用下的变形、应变和整体动力特性。应变采用RS-QL06E桥梁及结构检测系统和振弦式应变传感器进行测量，挠度采用全站仪进行测量，同时采用电子水准仪进行复核。模态测试采用DH5938系列动态信号采集系统进行数据采集。荷载试验采用三轴重车进行加载，重车前轴轴重6t，中后轴轴重14.5t，总重35t，共采用重车6辆。

图2 组合梁桥在移动荷载作用下的弯矩包络图

根据桥梁在设计荷载作用下的弯矩包络图（见图2），选取该桥跨中断面为测试控制端面。静载测点布置如图3所示，动力特性测试在主跨L/4、L/2、3L/4处布设竖向（面内）加速度拾振器各1个，测量桥梁面内各阶振动频率和振型；在相同位置布置横向（面外）加速度拾振器各1个，以测量大桥的面外振动频率和振型。

图3 跨中截面应变传感器布置图

3.2 加载工况和试验效率

3.2.1 静载试验工况

根据桥梁的结构特点和理论计算结果，静载试验共分为2个试验工况，工况一为跨中最大正弯矩，横向对称布置；工况二为跨中最大正弯矩，横向偏载。试验参数及试验效率如表1所示。

表1 静载试验加载工况和效率表

3.2.2 动载试验工况

为测试桥梁结构的动力特性，进行了环境激励下的动力特性测试，同时进行不同车速下的跑车试验、刹车试验，具体工况如表2所示。

表2 动载试验加载工况

3.2.3 静荷载试验结果分析

本文仅对工况一静载试验挠度部分结果、动载试验基频结果进行分析，其他工况类似。

挠度测试根据测点位置受加载工况的影响情况，综合采用电子水准仪和全站仪对关键截面挠度和桥梁挠曲线进行了测试。相应的结果基本一致，表明本次试验数据具有很高可靠性。

表3为I-I跨中截面梁底挠度计测试结果，校验系数在0.8左右，相对残余在2.63%～17.78%之间。

表3 工况一跨中（I-I）截面挠度测试结果

测点在控制荷载工况作用下的相对残余挠度（或应变）越小，说明结构越接近弹性工作状况，《公路旧桥承载能力鉴定方法》要求相对残余不大于20%。由表3可见，本次试验实测挠度（或应变）相对残余量均分布在20%范围内，说明测点的残余挠度（或应变）均满足规范要求，表明结构整体工作在弹性状态，变形在卸载后能较好恢复。

3.2.4 动荷载试验结果分析

桥梁的基频是反映桥梁整体性能的重要指标之一，当桥梁受到损害或者刚度、强度发生变化时，桥梁的固有频率也会发生变化。通过脉动、跳车试验，经分析得到桥梁的基频，结果如表4所示。

表4 实测基频和理论基频对照表

由实测基频和理论计算值对比可以看出，实测一阶自振频率（跳车测试）为2.74Hz，大于理论计算值，表明结构的整体刚度较大，满足规范要求。

4 结语

本文基于静动载试验技术，并结合数值仿真技术分析了某钢混组合箱梁桥的力学性能，可以得到如下结论。

4.1 静载试验结论

实测主要测点的挠度、应变校验系数均小于1.0，表明桥梁刚度和强度满足规范要求。

各加载工况下的相对残余变形（应变）基本满足规范不大于20%的要求，且逐级加载时主要测点的挠度（应变）表现为线性增长趋势，表明桥梁工作在弹性状态，卸载后挠度（应变）基本能够得到恢复。

箱梁整体抗扭性能良好，偏载工况下实测偏载效应系数和理论值比较接近，挠度和应变的横向分布曲线也和理论曲线基本一致。

4.2 动载试验结论

动载试验结果表明桥梁的基频响应和理论值相比较大结构整体刚度满足设计要求。