某V 撑刚构桥荷载试验研究

韩保卫HAN Bao-wei

（中铁一局集团桥梁工程有限公司，渭南 714000）

0 引言

连续刚构桥起源于德国，历史悠久，由于其受力合理施工简便被广泛建造，中国第一座连续刚构桥于20 世纪八十年代建成，经过几十年的发展技术已经十分成熟，且演变出众多类型，本桥作为景观桥也可看作连续刚构桥的一个变种。荷载试验作为桥梁投入使用前验收的一项重要指标，对桥梁整体性能的评定具有重要的意义，经过对该桥进行外观检查与静载试验等现场工作与大量的理论计算、数据分析、归纳和整理，可对该桥的技术状况、承载能力检测进行评定及建议，完成预订的各项检测任务。另外，也能对成桥后运营阶段的养护与维修提供基础资料。

1 工程概况

某市景观桥一座，总长49.16m，采用双幅设计，桥孔布置为12m+20m+12m，横断面布置与道路相同为5.5m（人行道）+22m（行车道）+5.5m（人行道）=33m。该桥上部结构采用12m+20m+12m 钢筋混凝土板拱结构，下部结构桥墩采用墙式墩。梁桥总体布置图如图1 所示。

图1 桥梁总体桥梁布置图

道路等级为城市次干路，设计车速30km/h，桥梁设计荷载等级：城-A 级。

2 试验内容

2.1 外观检测

桥梁外观的检测分为三部分，即：桥面系、上部结构和下部结构。桥面系主要包括：桥面铺装、伸缩缝装置、人行道、人行道栏杆、防排水系统、照明、标志、桥面线形等；上部结构主要包括：主梁和支座；下部结构主要包括桥台、桥墩等。

2.2 静载试验

本次荷载试验选定此桥左幅作为加载和测试的主要桥孔结构；选定其它桥孔作为辅助验证加载和测试桥孔结构。该桥各控制截面及测试项目如图2 和表1 所示。

图2 加载和测试截面布置示意图

表1 控制截面加载情况与测试项目表

①应变测试。采取在箱梁梁底测试位置粘贴电阻应变片，由电阻应变片将结构应变转换成电信号，通过电阻应变测试系统接收和放大又将电信号以微应变值给出测试结果。根据各断面测试内容，应力（应变）测点布置如图3所示。

图3 应力（应变）测点布置图

②挠度（变形）测试。通过在梁体测试断面设置变形测点，用高精度全站仪进行测量。根据各断面测试内容，变形测点布置如图4 所示。

图4 变形测点布置图

注：图4 适用于A-A、C-C、D-D、E-E、F-F 截面位移测点布置，每断面设3 个变形测点。

③裂缝测试。裂缝检测包括裂缝长度、宽度和深度检测。采用合格的量尺量测裂缝长度，采用读数显微镜量测 裂缝宽度，采用非金属超声波检测分析仪检测裂缝深度。裂缝宽度和深度检测方法分别见图5、图6 所示。

图5 裂缝宽度测试示意图

图6 裂缝深度测试示意图

2.3 动载试验

对该桥结构进行动载试验测试，以确定桥梁结构的相关动力特性参数，并结合理论分析结果，综合评定桥梁结构动力特性。①脉动试验，利用自然环境，如大地脉动、风荷载等对桥梁的激励，测试桥梁的动力参数，如自振频率、阻尼比等。②行车试验，以一辆重约40t 车辆以不同速度通过桥梁，记录余振波形，测试桥梁动力响应，如冲击系数等。

3 模型建立

此为混凝土连续箱梁桥，整个桥梁主要受力结构由主梁、桥墩、桥台和基础组成。为了能够真实地反映桥梁结构的空间受力状态，本次使用有限元程序—MIDAS 建立空间有限元模型，对其进行静力计算和分析。

通过MIDAS 软件建立有限元模型的主要步骤如下：①结构离散化。根据结构特点和选定的单元类型，划分单元和结点，并对结点和单元予以编号。②结构描述，选定整体坐标系。输入确定结构几何、材料、荷载和支承条件的全部数据和各种信息以及有关的控制变量等参数。③单元特性计算。根据单元类型、单元结点号和结点坐标系以及有关信息，分别算出局部坐标系下的单元刚度矩阵和等效结点荷载等。④组集结构总刚度矩阵和荷载总矢量。⑤求解结构的静力平衡方程组计算所有的未知结点位移。⑥根据单元结点位移和单元刚度矩阵计算各个单元应力。⑦求解结构的动力平衡方程组（特征值方程）可得到结构的自振频率（周期）和振型等参数。

该桥上部结构有限元计算模型如图7 所示。

图7 桥梁计算模型

对该桥控制截面进行最不利加载，计算各种工况下结构的理论变形与应力。

4 试验过程及测试结果

①静力试验选择在气温变化不大和结构温度趋于稳定的时间段内进行；②静力试验荷载持续时间，原则上取决于结构变位达到相对稳定所需要的时间，只有结构变位达到相对稳定后，才能进入下一荷载试验阶段。一般每级荷载到位后稳定10 分钟即可测读；③全部测点在正式加载试验前均应进行零级荷载读数，以后每次加载或卸载后应读数一次。试验时选在结构变位较大的测点，每隔5 分钟观测一次，以观测结构变位是否达到相对稳定；④若在加载试验过程中发生下列情况之一时，应立即终止加载试验：1）控制测点应力超过计算值并且达到或超过按规范安全条件反算的控制应力时；2）控制测点变位超过规范允许值时；3）由于加载试验使结构出现非正常的损伤或局部发生损坏，影响桥梁承载能力和今后正常使用时。

4.1 试验过程

静载试验工况按照本桥的内力影响线和位移影响线确定。现场静载试验按照控制截面设计荷载的内力（位移）等效加载，则采用3 辆40 吨的试验车辆。

为确保试验加载过程中结构安全，根据本桥的实际情况和理论分析结果，先采用两辆车在1/4 断面加载，然后通过分析对比试验数据和理论数据，确认结构安全的情况下再在跨中位置加载，最后再进行三辆车加载。

根据测试内容，全桥静载试验共分为7 个荷载工况，分别如下所示：工况1：第1 跨2L/4 双车对称加载；工况2：第2 跨L/4 双车对称加载；工况3：第2 跨2L/4 双车对称加载；工况4：第2 跨2L/4 三车偏心加载；工况5：第2跨L/4 三车偏心加载；工况6：第1 跨L/2 三车偏心加载；工况7：卸载（残余变形）。

4.2 应变（应力）测试结果

工况1 下各控制截面应力（应变）理论值、实测值及校验系数如表2 所示，表中“+”表示拉应力，“-”表示压应力）。通过对该上部结构在各工况作用下各测试截面应力实测结果与相应的理论计算结果进行对比分析后可以得到以下结论：①该桥上部结构在各工况作用下各测试截面应力的实测计算值小于混凝土抗拉设计值，说明结构混凝土表面本身完好；②该桥上部结构在各工况作用下各测试截面应力校验均小于1（0.6～0.9），表明桥梁结构强度良好；③由以上对应力测试结果的分析可知：该桥的强度满足设计要求。

表2 工况1 荷载作用下控制截面位移理论值、实测值与校验系数

4.3 变形测试结果（表3、表4）

表3 工况1 荷载作用下控制截面位移理论值、实测值与校验系数

表4 卸载后的残余应变及相对残余应变表

通过对该桥上部结构在各工况作用下各测试截面位移实测结果与相应的理论计算结果进行对比分析后可以得到以下结论：①在各种工况作用下，该桥上部结构各测试截面实测变形值均小于计算跨径的L/800，桥梁处于小变形状态。②在试验荷载作用下，该桥控制截面的实测位移值小于于理论计算值，即位移校验系数小于1.0（0.7～1.0），说明该桥的静力刚度良好。③结构最大相对残余变位值小于20%，根据相关规定，判定荷载试验过程中桥梁结构处于弹性工作阶段。④整个静载试验过程中，各测点的竖向位移均未发生较大异常变化。⑤由以上分析结果可以得出，该桥主梁结构静力刚度良好。

4.4 裂缝测试结果

试验前对全桥上下部结构是否存在有裂缝、缺陷、损坏以及露筋、锈蚀等情况进行核查记录，核查结果显示，未发现上述情况，故本次试验中不进行裂缝、缺陷、损坏以及露筋、锈蚀等发展情况进行观察和测试。

4.5 动载测试结果

通过现场脉动试验及理论计算，得出该桥自振频率的理论值、实测值如表5 所示，竖向功率谱密度曲线如图8所示。桥梁上部结构动力特性状态指标评定结果见表6所示。

图8 竖向功率谱密度图

表5 该桥自振频率理论值、实测值列表

表6 该桥阻尼比实测值

本次冲击系数采用实测动位移时程曲线计算各车速的行车冲击系数1+μ，各车速的行车冲击系数1+μ 如表7

表7 行车冲击系数理论计算值与实测值对照表

所示。动位移时程曲线及跑车时程曲线如图9、图10 所示。

图9 动位移时程曲线

图10 跑车试验时程图

综上所述：

①本桥的冲击系数满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》、《公路桥梁承载能力检测评定规程》评定的要求，是安全的；②本桥的跑车、刹车和跳车实测动挠度较小，满足桥梁的运营安全要求和相关规程的规定；③本桥的自振频率大于理论频率值，说明该桥动力刚度满足要求。

5 结语

荷载试验能够精密有效的检测桥梁的受力状态，通过桥梁外观、静载、动载等的试验，对其应变、挠度、裂缝等项目有着很好的检测效果，且操作简便，所以被作为桥梁投入使用前的一种验收手段而广泛使用。