探究钢－混凝土组合箱梁桥的荷载试验

刘大鹏 LIU Da-peng

（中交远洲工程咨询有限公司，石家庄 050035）

0 引言

近年来钢-混凝土组合结构作为全新的结构形式，在高速公路建设中被广泛应用，这种结构不仅能够充分发挥钢材和混凝土材料的各自特性，而且施工快捷、方便，从而受到工程界的青睐。我国在该领域的研究较晚，但随着现代工程技术的发展，预应力钢-混凝土组合结构在桥梁领域的应用越来越多，如何对钢－混凝土组合箱梁桥的承载能力进行评价还存在许多亟待解决的问题。目前，国内外学者对预应力钢-混凝土新型组合梁桥的研究相对较少，理论体系还不完善，国内现行规范也没有相应的条款对该类型桥梁如何进行荷载能力评价有详细介绍[1]。

文章以某一新建钢－混凝土组合箱梁桥为例，参考现行相关规范详细介绍了该类桥型的静、动载试验，并对其承载能力及工作性能进行了评价，对确保该桥的正常使用、完善该类桥型荷载试验具有重要的现实意义。

1 桥梁概况

某分离式立交桥为绕城公路上的一座桥梁，主跨采用40+55+40m 钢-混组合梁，桥下净高不小于7.2m。桥梁左幅共六联：4×30+4×30+（40+55+40）+（23+2×30）+4×30+3×30m，右幅共七联：3×30+3×30+（23+2×30）+（40+55+40）+3×30+3×30+3×30m；桥长675m。

该桥上部构造左幅第三联、右幅第四联采用钢-混组合梁，其余联采用钢-混组合工字钢梁，交角90°。钢-混组合梁横向3 片箱梁，箱梁底宽3.5m，箱梁间净距2.0m，悬臂1.0m，梁高2.2m。下部结构桥墩采用柱式墩、桩基础，桥台采用肋板台、桩基础。

桥梁设计荷载：公路—Ⅰ级。

桥面宽度：2×（0.5m 墙式护栏+15.5m 行车道+0.5m 墙式护栏）+1.5m 间距；两幅全宽34.5m。

2 有限元计算模型

一般来说对任何类别的结构进行截面设计都要满足两类极限状态的要求[2，3]。对于简支组合梁这种受弯构件而言，要计算其强度、刚度（挠度）和稳定性是否满足要求，通常组合梁的计算应分别对施工阶段和使用阶段进行计算[4-6]。成桥阶段荷载试验主要计算使用阶段。而在使用阶段，应利用塑性设计法计算组合截面的承载力，该阶段的稳定性一般均能满足，可不必计算[7]。

本桥采用MIDAS 有限元软件对40+55+40m 钢-混组合梁进行建模计算，将该桥主跨结构离散为138 个节点，137 个单元，计算模型如图1 所示。

3 静载试验

本次静载试验荷载的大小和加载位置按照内力等效原则，即采用静载试验荷载效率进行控制[8]。通过计算荷载试验静载效率计算结果见表1。根据现行规范和评定规程[9，10]静力荷载试验效率，对验收性荷载试验其值应大于或等于0.85，且不得大于1.05，对鉴定性荷载试验，其值应大于或等于0.95，且不得大于1.05。此次荷载试验的静力荷载试验效率在0.95～1.04 之间，满足现行规范和评定规程的要求。

表1 桥梁静载试验荷载效率汇总表

3.1 静载试验实施

①本次静力荷载试验为基本荷载试验。桥梁采用等效荷载加载，等效荷载采用6 辆约50 吨的三轴载重汽车，效率系数控制在0.95～1.05 之间，满足规范要求。

②测试项目及测试方法。

应力：第10、11 跨L/2 断面，10#墩支点断面各钢箱梁梁底应力；10#墩顶、第11 跨跨中断面3#钢箱梁腹板应力。

挠度：第10 跨、第11 跨L/2 断面各钢箱梁的挠度，9#墩、10#墩、11#墩各支点断面挠度。

试验现象观察：在试验加载过程中，观察结构是否出现异常变形、响动、失稳、扭曲、晃动等异常现象。试验过程中实时观察桥梁钢结构焊缝有无开焊、连接螺栓是否存在松动等现象。

③加载工况。

本次荷载试验分6 个工况，分别为：第10 跨最大正弯矩偏心加载、第10 跨最大正弯矩对称加载、第11 跨跨中位置偏心加载、第11 跨跨中位置对称加载、10#墩顶负弯矩偏心加载、10#墩顶负弯矩对称加载，每工况均分级加载。

3.2 静载试验结果

3.2.1 应力测试结果

在第10、11 跨最大正弯矩等效荷载作用下，梁底应力校验系数均小于1.00，表明第10、11 跨各箱梁在试验荷载作用下，结构的强度能满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

在10#墩支点最大负弯矩等效荷载作用下，10#墩支点断面各箱梁梁底应力校验系数均小于1.00，表明10#墩支点处各箱梁在试验荷载作用下，结构的强度能满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

在10#墩支点最大负弯矩等效荷载作用下，10#墩支点断面3#箱梁腹板应力校验系数均小于1.00，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的相关要求。

在等效荷载作用下，量测的第10、11 跨跨中断面钢箱梁底应力测点相对残余应力均小于20%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的相关要求。

3.2.2 挠度测试结果

在第10、11 跨最大正弯矩等效荷载作用下，跨中断面挠度测点校验系数均小于1.00，表明第10、11 跨各钢箱梁在试验荷载作用下，结构整体刚度能满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的要求。

试验跨各工况控制断面的实测挠度与理论挠度对比曲线吻合较好，说明桥梁整体性较好。

在各工况等效荷载作用下，量测的第10、11 跨跨中断面梁底挠度测点相对残余变位均小于20%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的相关要求。

3.2.3 试验现象观察结果

在试验加载过程中，结构未出现异常变形、响动、失稳、扭曲、晃动等异常现象。试验加载过程中，桥梁钢结构未出现焊缝开焊、连接螺栓松动等现象。

综上所述，在试验荷载作用下，试验跨箱梁强度、刚度均满足《公路桥梁荷载试验规程》的要求。

4 动载试验

4.1 自振特性测试

4.1.1 测试方法

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应（自由振动位移时程曲线）。

对应测试参数：结构的固有频率f0。

4.1.2 测点布置

自振频率测试：测点布置在第10、11 跨（跨中、四分点）内侧护栏处，测试桥梁的固有频率f0。

4.1.3 理论计算

通过使用Midas civil 分析软件对该桥进行建模计算，得出该桥理论竖向一阶频率为2.482Hz。模型图如图2 所示。

图2 桥梁一阶竖向振型图

4.1.4 自振特性测试结果

结构竖向振动测试分析结果见表2，从表中数据可得出：该桥实测自振频率大于理论计算自振频率，说明结构的实际刚度大于理论刚度，能满足设计荷载正常使用要求。

表2 桥梁自振特性汇总表

4.2 冲击系数测试

4.2.1 测试方法

在桥面上无任何障碍的情况下，采用1 辆试验车分别以20km/h、30km/h、40km/h 的不同车速匀速通过试验桥跨结构，记录不同车速的试验车辆在试验孔上行驶时测点的挠度时程曲线，根据所记录的曲线计算和分析桥梁在试验荷载作用下的冲击系数。

本次冲击系数测试使用BJQN-5A 桥梁挠度检测仪进行测试、分析。

4.2.2 测点布置

测点布置在第11 跨3#钢箱梁梁底跨中位置。

4.2.3 加载方案

采用1 辆50 吨左右的试验车分别以20km/h、30km/h、40km/h 的不同车速匀速通过试验桥跨结构，记录不同车速的试验车辆在试验孔上行驶时测点的挠度时程曲线。

4.2.4 测试结果

跑车试验结果汇总见表3，从表中数据可得出：第11跨实测最大动挠度为5.333mm；实测冲击系数最大值为0.064 小于JTG D60-2015 规范理论冲击系数值0.145，说明结构的动力性能较好。

表3 试验跨动载试验测量结果表

5 结论

通过对钢-混组合连续箱梁桥进行受力分析，结合现行检测和评定规程[9，10]，钢-混组合连续箱梁桥的荷载试验控制截面主要为：边跨和中跨最大正弯矩截面，支点最大负弯矩截面，此次荷载试验选取的控制截面满足现行规范和评定规程的要求。

通过建立空间有限元模型计算分析和进行实桥静、动载试验得出：所试验的钢-混组合梁桥试验跨的承载能力能够满足设计荷载（公路-Ⅰ级）的正常使用要求。

结合实桥静、动载试验和有限元分析模型的计算结果进行对比分析，说明采用有限元软件对预应力钢-混凝土组合梁进行受力分析具有可行性。