济南长清黄河公路大桥主桥荷载试验研究

韩文放

（山东金朝工程检测有限公司，山东 济南 250014）

钢桁梁桥杆件多为薄壁杆件，其断面的最大高度或宽度与壁厚之比一般不小于10，荷载作用下各杆件呈复杂的空间受力状态。理论分析时一般按杆单元或梁单元模拟桥梁结构，计算得到的是各项内力单独作用下杆件所受的应力。而现场试验时，应变计一般沿杆件的轴向布置，实测值是荷载作用下杆件所受纵向正应力之和。这是钢桁梁桥试验中必须面对的问题，也是评价薄壁结构受力状态时必须解决的问题。

1 工程概况

济南长清黄河公路大桥主桥采用102+4×168+102=876 米变高连续钢桁架，整幅布置，横桥向布置两片主桁，主桁采用不带竖杆的华伦式桁架布置，主桁中心距为27m，主墩处桁高23m，共用墩及跨中桁高10m，标准节间长度为14m，纵向共58 个节段。

桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力车辆荷载作用下的变形和内力，确定桥梁结构的实际工作状况与设计期望值是否相符。动载试验包括自振特性试验和动力响应试验[1]。自振特性试验主要测试桥梁结构在自然环境激振条件下的自有振动特性，即自振频率、阻尼、振型等。动力响应试验主要测试桥梁结构在试验荷载作用下的动力响应，即动挠度、动应变、振动加速度、速度及冲击系数等，评价桥梁结构的刚度和动力性能是否满足规范要求。

2 静、动力分析

采用桥梁工程软件Midas Civil 2015 进行空间结构的建模与分析，模型中所有杆件均采用梁单元，整体结构简化为空间梁格体系。

3 荷载试验

选用装载汽车作为加载设备进行静、动载试验，荷载效率满足介于0.85～1.05 之间的要求。荷载试验前，对加载车辆的相关技术参数进行了精确测量。

3.1 静载试验

根据主桥结构的对称性，选择长清区侧边跨、次边跨、中跨共3 跨作为荷载试验桥跨，选取试验桥跨中受力最不利主桁弦杆所在的位置作为控制截面，进行控制截面的挠度和应力测试。控制截面共5 个。

1） 挠度测点布置，每跨将加载截面两边桥面部分进行二等分，在墩顶、加载截面及各等分点处布置挠度测试截面，主桥共13 个挠度测试断面。

2） 应变测点布置

①理论分析

对于长度远大于横截面尺寸的构件，其基本变形分为4类[2-4]：拉压、剪切、扭转、弯曲。杆件截面上的应力有2类：垂直于横截面的正应力、平行于横截面的剪应力。拉压变形、弯曲变形引起正应力，剪切和扭转变形引起剪应力，约束扭转和扭转畸变变形也会引起正应力。

对于双轴对称H 型、箱型薄壁杆件（图2），当正应力沿截面高度和宽度方向均为线性分布，并忽略畸变正应力影响时，可用四点法实测得到4 个测点的纵向复合正应力，然后采用分解法求得轴向、面内及面外弯曲和约束扭转正应力[2]。

桥梁设计时往往采用构造措施限制构件的畸变变形[5]，因此杆件的轴向、面内及面外弯曲和约束扭转正应力可采用四点法得到。该桥空间梁单元模型的有限元分析结果表明：试验荷载作用下，主桁杆件主要承受轴力作用，因此测试杆件的轴向应力满足试验精度要求。

②应变测点布置

根据选定的测试断面，在桥梁弦杆上布置应变测点；有限元力学分析结果表明：受力最不利主桁弦杆荷载效率满足试验要求时，其周围部分腹杆的荷载效率也达到试验要求，因此同样在这些腹杆上布置应变测点，进行试验过程中的应力测试。

3.2 动载试验

自振特性试验以联为单位，全桥各跨均4 等分共计25个测试断面，分上下游两条测线布置测点。

动力响应试验选取第三跨受力最不利主桁上弦杆（A27’-A28’） 所在的位置作为测试截面，在该上弦杆上布置动应变测点，上、下游侧各布置1 个测点。

4 试验结果分析及结论

4.1 静载试验结果分析

限于篇幅，这里仅给出部分试验及计算结果。由表1 可知，钢桁梁杆件轴向应力实测值均小于计算值，可见桥梁结构强度满足设计要求[1]。由表2 可知，主梁挠度实测值均小于计算值，可见桥梁结构刚度满足设计要求。

表1 杆件应力测试结果

表2 主梁挠度测试结果

4.2 动载试验结果分析

1） 自振特性试验，采用环境随机激励法进行测试，桥梁自振特性参数测试结果见表3。

由检测结果得出实测前四阶振型与理论振型相符。由表3 看出桥梁实测前四阶振动频率均大于计算频率，且均为小阻尼振动，表明桥跨结构实际整体刚度大于理论刚度，满足设计要求。

2） 动力响应试验，这里共进行无障碍行车试验、有障碍行车试验和制动试验三项测试。实测无障碍行车试验与制动试验冲击系数介于1.01～1.04 之间，测点冲击系数小于规范限值[6]1.05，满足设计要求。实测有障碍行车冲击系数介于1.36～1.49 之间，表明有障碍行车对桥跨结构冲击效应较大。为了保证结构安全，桥面尽量不要出现较大的坑槽，保证桥面的平整度。限于篇幅，这里仅给出部分试验结果。

表3 桥梁自振特性参数测试结果