基于静动载试验的连续箱梁桥承载能力评估

黄豪 张益雄 旦唐燕

本研究将福建一座连续箱梁桥作为研究对象，利用有限元方法对桥梁进行建模分析，对已建成的桥梁跨度结构进行表面观测以及荷载测试，遵循相应的规程和规则，来对桥梁的负载性能进行量化评估。这项研究将对桥梁实际状态和运行情况进行核实，并能为其未来的维护和评估提供初级数据，以供制定正确的使用和维护策略。

一、工程概况

主桥跨布局由（85+155+85）米的预应力混凝土连续刚构组成，上部构造特点是单箱单室变断面连续刚构箱梁，梁宽12.25 米，箱宽6.0 米，箱梁顶板为2%的单向横坡，采用挂篮悬臂浇筑施工。主跨桥墩为5.0 米×6.0 米的钢筋混凝土薄壁空心墩，设计荷载：汽超-20，挂-120。

二、有限元模型

依照桥梁的结构特色及设计荷载级别，建立了有限元模型（如图1 所示）进行荷载计算，对荷载控制截面进行静载试验，并测定荷载条件下的应变和挠度变化。

图1 大桥的有限元模型

三、试验项目

1.静载试验

根据构造受力特性，运行静载试验，以测定试验荷载作用下桥梁主跨受力控制截面的应变和挠度变动情况。

依据跨度结构的受力特性定义了七个试验工况。

工况1～工况3：针对最大正弯矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）进行加载（工况1 中载，工况2 左侧偏载，工况3右侧偏载），并测量得出挠度和应变；

工况4：检验支座截面（Ⅱ-Ⅱ截面）最大负弯矩加载（中载），测试截面的应变；

工况5～工况7：检验中跨中截面（Ⅲ-Ⅲ截面）最大正弯矩加载（工况5 中载，工况6 左侧偏载，工况7 右侧偏载），测试截面的挠度和应变。

静载试验的主要测试截面如图2 所示。

图2 测试截面

2.自振特性和无障碍行车试验

（1）自振特性试验

没有交通荷载和无规律振动源的情况下测定由于风荷载、地脉动等随机荷载激发的微小振动反应，以测定自振频率和阻尼比，分析桥跨结构的自振特性。

（2）无障碍行车试验

分别以20km/h、30km/h 和40km/h 的车速，使用载重汽车经过桥跨结构，测验动挠度和冲击因素在行车荷载作用下的变化。

四、试验结果分析

1.静载试验结果

（1）静载试验荷载的试验效率

依据该连续箱梁桥的建设设计蓝图，试验项目的最不利效应值由设计标准活载造成，并等效替换以确认试验所需负荷、装载车辆以及轮位，详细信息参见表1。对于工况1、工况2 和工况3，边跨产生最大正弯矩处的设计活载导致的最不利内力值为20433kN·m，而试验载荷引发的最大内力值近似为19748kN·m，静载试验效率约为0.97。在工况4 情况下，支座产生最大负弯矩，由设计活载造成的最大不利内力值为-87279kN·m，相对应的试验载荷导致的最大内力值近似为-81444kN·m，静载试验效率约为0.93。当处于工况5、工况6 以及工况7 的时候，跨中产生的最大正弯矩，由设计活载引发的最不利内力值为20942kN·m，试验载荷所导致的最大内力值近似为19528kN·m，这时静载试验效率约为0.93。

表1 主要控制截面桥面挠度分析表

（2）挠度测试结果与分析

边跨最大正弯矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）在工况1 和中载加载项目中左侧桥面扰度值为8.27mm，右侧桥面扰度值为7.82mm，实测平均值为8.05mm。边跨最大正弯矩截面在工况2 和左偏载加载项目中左侧桥面扰度值为7.81mm，右侧桥面扰度值为8.05mm，实测平均值为7.93mm。边跨最大正弯矩截面在工况3 和右偏载加载项目中左侧桥面扰度值为8.27mm，右侧桥面扰度值为7.36mm，实测平均值为7.81mm。

跨中截面（即Ⅲ-Ⅲ截面）工况5 和中载加载项目中左侧桥面扰度值为19.00mm，右侧桥面扰度值为19.70mm，实测平均值为19.35mm。跨中截面工况6和左偏载加载项目中左侧桥面扰度值为19.80mm，右侧桥面扰度值为18.30mm，实测平均值为19.05mm。跨中截面工况7 和右偏载加载项目中左侧桥面扰度值为18.40mm，右侧桥面扰度值为19.60mm，实测平均值为19.00mm。

主要控制截面桥面扰度分析标如表1 所示。

依照目前数据分析，边跨最大正弯矩处桥面挠度的校验系数介于0.72～0.74 之间，中跨挠度校验系数在0.85～0.86 之间，这些数值均在《大跨径混凝土桥梁试验方法》（1982 年10 月）中设定的常规范围（0.7～1.05）内，而相对的残余挠度远低于该规范规定的20%。

（3）应变测试结果与分析

边跨最大正弯矩截面（Ⅰ-Ⅰ截面）在工况1 中加载中载情况下应变测点1 至5 测点实测值为58、58、49、44、58，平均为值为53。在工况2 中加载左偏载情况下应变测点1 至5 测点实测值为55、55、60、56、56，平均为值为56。在工况3 中加载右偏载情况下应变测点1 至5 测点实测值为54、51、58、50、59，平均为值为54。

跨中截面（即Ⅲ-Ⅲ截面）在工况5 中加载中载情况下应变测点12 至16 测点实测值为46、50、56、58、56，平均为值为53。在工况6 中加载左偏载情况下应变测点12 至16 测点实测值为46、56、51、53、56，平均为值为52。在工况7 中加载右偏载情况下应变测点12 至16 测点实测值为48、46、54、54、49，平均为值为50。

支座最大负弯矩截面（Ⅱ-Ⅱ截面）在工况4 中加载中载在测点30、29、28 测点实测值为22、26、28，平均值为25。

控制截面应变实测值及其理论计算值比较如表2所示。从表格结果可以看出，边跨最大正弯矩截面的应变校验系数在0.92～0.97 之间，中跨截面的应变校验系数则在0.71～0.75 之间，支点最大负弯矩处的应变校验系数为0.72，这些数据都在《大跨径混凝土桥梁试验方法》（1982 年10 月）规定的常规范围（0.7～1.05）中，而相对的残余应变远低于规定的20%。

表2 控制截面应变实测值及其理论计算值比较表

2.自振特性试验结果

试验结果与分析：

对实测的信号进行分析，得到大桥的1～4 阶自振频率计算值与实测参数对比如表3 所示。

表3 船岭岽特大桥自振频率(Hz)

3.无障碍行车试验结果

本研究进行了无障碍行车试验，行车速度固定在20km/h 和30km/h，实测冲击系数为1.049、1.041 和1.031，经过转换，标准车队的冲击系数为1.023、1.019以及1.015，这些数据都在1.05 的容许范围内。

五、鉴定意见

通过对本大桥静动载试验结果以及各项控制指标进行分析，可以得出大桥桥跨结构满足汽超-20 级、挂-120 级设计荷载等级要求。静载试验中，挠度校验系数处于规定的常值范围内，相对残余挠度也小于规定值，表明桥跨结构始终处于良好的弹性工作状态，结构整体性较好；同时大桥的控制截面的应变校验系数和相对残余应变符合规范评定要求。自振特性试验表明，该桥自振频率的计算值与实测值基本吻合，说明所建的有限元模型准确可行；无障碍行车试验表明，实测得出的冲击系数在容许的范围内。