简支板桥荷载试验技术研究

范科举

（焦作市城市建设项目管理有限公司，河南 焦作 454000）

0 引言

桥梁荷载试验是指通过施加荷载的方式对桥梁结构或构件的静、动力特性进行现场试验测试，是对桥梁进行评定的重要手段。

焦作市丰收路群英河桥建于1994年，为单孔跨径为8.3m的三幅三孔简支板桥，其上部结构为3×8.3m的钢筋混凝土简支空心板，下部结构为排架柱墩、重力式墩台，设计汽车荷载等级为汽-20、挂-100。经过多年的使用和振动、超载、环境变化等因素的影响，该桥结构病害严重，已经影响到正常使用。为科学评定群英河桥目前的运营状况、结构的承载能力以及桥梁行车的安全性、可靠性，本文采用荷载试验法对其进行检测，以期对该桥的运营性能作出科学判断。

1 静载试验

静载试验是通过在桥梁结构上的指定位置施加与控制荷载等效的静态外加荷载，利用检测仪器设备测试桥梁结构控制部位与控制截面的力学效应的现场试验［1］。根据静载试验的测试结果，可以推断桥梁结构在静态荷载作用下的工作状态和使用性能。

1.1 试验荷载及加载工况

试验桥跨应选择结构受力最不利、缺陷较多或病害较严重的桥跨［2］。根据群英河桥的结构形式、特点及现场检测情况，选择中幅桥进行静载试验。试验桥跨的截面宽度为25m，加载工况为中幅桥第3跨跨中最大正弯矩截面偏载工况（如图1所示），主要测试控制截面的挠度和应变。

图1 中幅桥第3跨加载车辆横向、纵向布置图Fig.1 Transverse and longitudinal layout of loading vehicles on the third span of mid-span bridge

采用有限元分析软件midas建立模型，对桥梁恒载内力和活载内力进行计算分析。经计算，采用3辆390kN的两轴自卸式载重汽车作为实际试验的工况荷载，加载车辆称重满足规范规定的称重误差不超过5%的要求，分别为40.2t、39.84t、40.56t。加载车辆呈横向偏载布置，车辆后轴位于桥跨跨中，具体加载和卸载分级情况如表1所示。

表1 静载试验加载及卸载分级情况Tab.1 Classification of static load test loading and unloading

实际试验的工况荷载和加载位置可通过荷载试验效率进行调控和研究。静载试验效率按式（1）计算。

式中：ηs为静载试验荷载效率，对于验收性荷载试验，其值应大于或等于0.85，且不得大于1.05，对于鉴定性荷载试验，其值应大于或等于0.95，且不得大于1.05；Sstat为在静载试验的实际工况荷载作用下，控制截面的最大内力或变位计算值；Sk为控制荷载作用下，控制截面的最大内力或变位计算值；μ为设计冲击系数。

经计算，加载车辆荷载效率为0.97。

1.2 静载试验结果分析

1.2.1 挠度测试结果分析

根据相对残余挠度=残余值／实测值的公式，绘制桥梁静载试验分级加载及卸载挠度曲线，如图2所示；根据校验系数=（实测值-残余值）／计算值，残余值为卸载后桥梁各测点挠度实测值。据此，绘制挠度实测值与理论计算值的关系曲线，如图3所示。

图2 中幅桥第3跨各级荷载作用下的挠度曲线Fig.2Deflection curve of different loading on the third span of mid-span bridge

图3 中幅桥第3跨挠度实测值与计算值关系曲线Fig.3Relations of deflection measured value and calculated value on the third span of mid-span bridge

由图2可知，在1级加载作用下，测点2挠度值最大；在2级加载作用下，测点3挠度值最大；在3级加载作用下，测点5挠度值最大。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018），主梁产生的最大挠度不应超过计算跨径的1／600［3］。本试验荷载作用下的桥梁挠度值均不超过该限值，满足规范要求。

由图2和图3可知，该中幅桥第3跨跨中截面全部测点的相对残余挠度均小于20%，满足规范要求；测点3、4、5、6、7挠度校验系数均大于1.00，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21-2011）的规定［4］。这说明，该工程试验桥跨结构处于弹性工作状态，但控制截面竖向刚度较弱，桥梁实际工作状态要差于理论状态。

1.2.2 应变测试结果分析

在试验荷载作用下，分级加载及卸载应变曲线如图4所示，应变实测值与理论计算值的关系曲线如图5所示。

图4 中幅桥第3跨各级荷载作用下的应变曲线Fig.4Strain curve of different loading on the third span of mid-span bridge

图5 中幅桥第3跨应变实测值与计算值关系曲线Fig.5Relations of strain measured value and calculated value on the third span of mid-span bridge

由图4和图5可知，在试验荷载作用下，该中幅桥第3跨跨中截面全部测点的相对残余应变均小于20%，满足规范要求，但测点3、4、5、6、7应变校验系数大于1.00，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21-2011）的规定［4］。全部测点的相对残余应变均小于20%，说明该试验桥跨结构处于弹性工作状态；测点3、4、5、6、7应变校验系数大于1.00，表明结构在试验荷载作用下有较大的不可恢复应变，控制截面抗弯强度较弱，即结构实际状况与理想状况相比偏于不安全，依据试验结果判定承载能力不足。

2 动载试验

动载试验是检测桥梁结构或构件在动荷载激振和环境荷载作用下的受迫振动特性和自振特性的现场试验。通过动载试验能够较为准确地获取桥梁的承载力和运营状况［2］。

2.1 试验荷载及工况

选择中幅桥第3跨作为动载试验桥跨，并选择L／4截面、L／2截面、3L／4截面为控制截面，测点布置如图6所示。通过脉动试验及跑车、跳车试验获得控制截面的自振频率、阻尼比、振型及动力放大系数。

图6 中幅桥第3跨模态测试速度测点布置示意图Fig.6Monitoring point layout of modal test velocity on the third span of mid-span bridge

采用390kN的三轴自卸式载重汽车作为实际试验的工况荷载，各工况如表2所示。

表2 动载试验工况Tab.2 Working condition of dynamic load test

2.2 动载试验结果分析

2.2.1 脉动试验结果分析

通过布置在桥面上的速度传感器测得试验桥跨环境激励条件下的脉动信号时域曲线，并对其进行功率谱及振型分析，得到试验桥跨的自振频率及振型［5］，如表3所示。

表3 自振频率、阻尼比测试结果Tab.3 Test results of natural frequency and damping ratio

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ／T 233-2015）的规定，实测自振频率应大于等于基准频率值的90%［6］。测试结果显示，中幅桥实测自振频率与基准频率的比值为1.410，实测振型与理论振型基本一致。这表明桥梁整体处于良好状态，结构刚度满足要求。

2.2.2 跑车试验结果分析

该桥跑车试验采用1辆390kN载重汽车，通过测量不同车速下控制截面的速度，绘制时程曲线，并计算不同车速下的动力放大系数，结果如表4所示。该桥自振频率基准值为11.702Hz，理论动力放大系数为0.419，实测动力放大系数小于理论值，说明桥面行车无障碍。

表4 不同车速下动力放大系数测试结果Tab.4 Test results of dynamic amplification coefficient at different speeds

2.2.3 跳车试验结果分析

跳车试验是在试验桥跨跨中预定位置设置一块15cm高的三角块，1辆满载重390kN的载重汽车后轮从三角块落下后立即停车。跳车的动力效应与车速和三角块放置的位置有关。随着车速的增加，桥跨结构的动位移、动应力会增加，从而动力放大系数也会增大。该桥梁试验桥跨跳车试验实测速度时程曲线如图7所示。该曲线与理论曲线基本吻合，说明桥梁的行车性能较好。

图7 中幅桥第3跨跳车试验速度时程曲线Fig.7Time curve of bumping test on the third span of mid-span bridge

3 结语

通过静载试验、动载试验能客观了解桥梁的实际工作状态，掌握其承载能力和使用性能，对于桥梁问题的处理能够及时给出建议，为桥梁后续加固提供技术依据。试验桥动载试验和静载试验结果显示，试验桥跨整体刚度满足规范要求，行车性能良好；试验桥跨结构虽然处于弹性工作状态，但其局部竖向刚度及抗弯承载力已不满足规范要求；部分测点的挠度及应变校验系数大于1.00，不满足规范要求。