匝道桥荷载试验方案设计

于明策，刘进朝，荣文涛，陈 艳

(1.济宁医学院，山东 潍坊 272067；2.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206;3.山东省交通运输行业公路工程材料教学研究实验室，山东 潍坊 261206)

1 工程概况

宁武高速A匝道桥，桥孔分两联布设，布置为3×20 m+3×20 m，全长120.0 m。设计荷载为公路—Ⅰ级。主桥各联为3×20 m预应力混凝土变截面箱梁连续梁桥，桥梁中线曲率半径为78.5 m控制断面梁高1.5 m。箱梁标准横截面为单箱三室直腹板，箱梁顶板宽度为15.5 m，底宽为12.5 m，箱梁梁体两翼板悬臂长度为1.5 m。主桥下部：主桥3#～6#墩采用箱形墩、桩基础。桥面布置为0.5 m(防撞栏)+6.75 m(行车道)+1 m(波形栏)+6.75 m(行车道)+0.5 m(防撞栏)。典型孔跨布置如图1所示，主梁横断面如图2所示。

图1 第4～6孔桥型布置示意图(单位:cm)

图2 匝道桥横断面示意图(单位：cm)

2 荷载试验目的

(1)检查施工质量、检验工程设计、确定桥梁可靠性。

(2)验证桥跨设计合理与否，为设计的进步与改进积累经验。

(3)直观判断桥跨结构在外界荷载作用下的实际情况，评价其承载能力及工作性能。

(4)通过动载作用了解桥梁基频及其他阶次频率，用以判断结构的固有振动特性及动载性能。

3 试验内容

3.1 静载内容

(1)试验荷载下主梁控制截面的应力、应变。

(2)试验荷载下主梁相关控制截面的竖向挠度。

以上试验可确定应变及挠度校验系数，从而判定桥梁的承受设计荷载的能力以及桥梁刚度的好坏。

3.2 动载内容

可分别在桥面无障碍和有障碍两种情况下进行不同速度的跑车试验，从而拾取测试点动力参数，主要内容有。

(1)通过拾震仪测定桥梁结构的自振频率。

(2)通过动应变计拾取桥梁结构在动荷载作用下耦合效应，从而获取桥梁结构的动应力、冲击系数等参数。

4 静载试验

根据匝道桥施工图及现场外观检查选择第二联作为试验对象。利用midas Civil建立带有曲率半径的有限元模型，如图3所示，通过运算得桥跨结构的活载弯矩包络图和位移包络图，如图4所示。根据图4选择3个测试截面，分别为：位于第6跨0.4L处的Ⅰ-Ⅰ断面、位于5#墩墩顶的Ⅱ-Ⅱ断面和位于第5跨跨中的Ⅲ-Ⅲ断面。

图3 midas空间分析模型图

图4 内力计算示意图

4.1 测点布置

(1)应变测点

箱梁应变测点的布设：选择在箱梁底板及腹板处布置应变测点，沿纵桥向布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ三个测试界面上(其中Ⅱ-Ⅱ断面布设于紧邻5#墩附近)，每个断面布置9个应变测点粘贴应变片，如图5所示。考虑温度变化对应变测试带来的影响，可在每个测试断面的位置布置一个温度补偿片。

图5 应变片测点布设示意图(单位：cm)

(2)挠度测点

挠度的测设可在梁底粘贴挠度计或在桥面用高程仪器测量。考虑本桥实际情况，选用通过全站仪或精密水准仪观测测试断面测点的竖向变位。挠度测试断面选择第6跨0.4L截面、第5跨跨中截面，为消除桥墩变位影响和支座变位对挠度测设的影响可于4#墩、5#墩、6#墩墩顶截面布设墩顶挠度测点，如图6所示。沿测试断面横向于护栏内侧各布置1个挠度测点。

图6 挠度测点纵桥向布置示意图(单位：cm)

4.2 试验工况及加载位置

加载车辆为三轴车，每辆400 kN，前中后轴间距分别为3.6 m、1.4 m。

(1)加载工况

按各控制截面最不利效应进行布载，共分6种试验加载工况，如图7所示，6种工况分别为：

图7 试验荷载纵桥向位置布置示意图(单位：cm)

工况1：纵桥向按Ⅰ-Ⅰ截面，中载。

工况2：纵桥向按Ⅰ-Ⅰ截面，偏载。

工况3：纵桥向按Ⅱ-Ⅱ截面，中载。

工况4：纵桥向按Ⅱ-Ⅱ截面，偏载。

工况5：纵桥向按Ⅲ-Ⅲ截面，中载。

工况6：纵桥向按Ⅲ-Ⅲ截面，偏载。

以上6种工况中，均为除工况5按单排四辆加载车中载对称布设外，其他5种工况均按单排两辆加载车布设。

4.3 加载效率计算

根据《公路桥梁荷载试验规程》规定，静力试验荷载加载效率η取值范围为0.95≤η≤1.05。此处

η=Sstat/(S×δ)其中：Sstat为试验荷载作用下的变位或力的计算值；S为设计标准活荷载作用下变位或力的计算值；δ为设计取用的动力系数。

经计算各工况下的加载效率见表1。

表1 各工况加载效率

由表1知，6种工况下的加载效率均满足规范要求。

5 动载实验

动载试验同时测量应力和挠度最大动态增量。

5.1 测点布置

(1)在Ⅰ-Ⅰ截面的路面上布置一个动应变计进行动应变的测设，可得其时程曲线，以便计算冲击系数。

(2)紧邻动应变测点处布设一拾震仪， 可分析主梁在载重车辆不同速度通过时的振动响应，以识别其前3阶竖向振动参数。

5.2 试验工况

动力试验工况：载重汽车在有障碍和无障碍条件下匀速通过试验跨，测试其动应变及振动响应参数。根据实际情况，本次拟定：

工况1：测试车以30 km/h匀速通过全桥。

工况2：测试车以40 km/h匀速通过全桥。

工况3：测试车以50 km/h匀速通过全桥。

考虑到行车安全，桥面障碍采用楔形橡胶条模拟。

6 结 论

由于匝道桥带有较小曲率半径，其荷载试验方案建模不能以简单的单梁法进行计算，通过梁格法建立模型，考虑最不利断面确定测试断面，并给出6个工况的加载方式，确定了满足加载效率的静载试验方案与满足测设动力响应的动载方案，可为同类桥的荷载试验方案的制定提供参考。