预应力混凝土箱梁桥荷载试验研究

朱强

（杭州市交通工程试验检测中心有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

随着我国交通运输业的飞速发展，交通量及车辆载重的不断提高，老旧桥梁的承载能力能否满足现行交通量的需求，最直接有效的方法对桥梁进行荷载试验，通过荷载试验判断桥梁承载能力，但在检测过程中，应加强荷载试验的要点控制，提高检测的准确性，从而保证桥梁正常安全使用。

1 工程概况

某高架桥中心桩号为K1 ＋244.15，桥梁全长1235.6m，跨径组合为（22m ＋33m ＋2×30m）＋（4×31.825m）＋（30m ＋50m ＋30m）＋（4×30m）＋（4×30m）＋（3×30m）＋（85m ＋120m ＋85m）＋（30m ＋30m ＋50m ＋30m）＋（4×30m）。除第3 联、第7 联为预应力变截面箱梁外，其余均为预应力等截面箱梁。第7 联跨径布置为85m ＋120m ＋85m，上部结构主梁为单箱三室预应力混凝土变截面箱梁，梁高及底板尺寸以1.8 次抛物线变化，右偏角90°。下部结构采用柱式桥墩、钻孔灌注桩基础；桥面铺装采用9cm 厚沥青混凝土＋防水层＋10cm 厚C50 水泥混凝土。两侧以及中间设置混凝土护栏。桥面宽度为单幅桥宽0.5m护栏＋1.5m 硬路肩＋3.75m 辅助车道＋2×3.75m 行车道＋0.75m 路缘带＋0.75m 中央分隔带＝14.75m；设计车道为双向六车道；设计荷载为公路-I 级。

2 静载试验内容

2.1 试验跨选择

对拟试验跨进行外观检查，选择具有代表性、跨径较大或最大、技术状况最差的桥跨作为荷载试验跨，同时试验跨应方便架设检测平台、设置测点、实施加载、方便采集试验数据等。该桥测试选择了最大跨径为（85m+120m+85m）的桥跨作为荷载试验跨。

2.2 试验工况及测试截面的选择

利用桥梁空间分析程序MIDAS/CIVIL 进行建模分析，确定试验桥跨的弯矩包络图、位移包络图，根据包络图确定最不利受力截面，然后确定相应的荷载试验工况。该桥荷载试验确定了6 个控制截面，10 个工况。桥梁分析计算模型见图1，主梁试验控制截面见图2，各试验项目的理论控制值和试验效率见表1。

表1 桥梁各试验项目的理论控制值和试验效率

图1 桥梁分析计算模型

图2 主梁试验控制截面示意图（单位：cm）

工况1（Ⅰ-Ⅰ截面）：边跨四分点最大正弯矩偏载作用下的应变（应力）和挠度；

工况2（Ⅰ-Ⅰ截面）：边跨四分点最大正弯矩作用中载下的应变（应力）和挠度；

工况3（Ⅱ-Ⅱ截面）：边跨0.42L 最大正弯矩偏载作用下的应变（应力）和挠度；

工况4（Ⅱ-Ⅱ截面）：边跨0.42L 最大正弯矩作用中载下的应变（应力）和挠度；

工况5（Ⅲ-Ⅲ截面）：中支点最大负弯矩中载作用下的应变（应力）；

工况6（Ⅳ-Ⅳ截面）：中跨四分点最大正弯矩偏载作用下的应变（应力）和挠度；

工况7（Ⅳ-Ⅳ截面）：中跨四分点最大正弯矩作用中载下的应变（应力）和挠度；

工况8（Ⅴ-Ⅴ截面）：中跨跨中最大正弯矩偏载作用下的应变（应力）和挠度；

工况9（Ⅴ-Ⅴ截面）：中跨跨中最大正弯矩作用中载下的应变（应力）和挠度；

工况10（Ⅵ-Ⅵ截面）：边支点最大剪力中载作用下的应变（应力）。

2.3 测点布置

第一，应变测点应具有代表性，其布置应能够真实地反映桥梁结构最不利的受力特征，并在满足结构分析的同时，方便计算；第二，测点布置要有针对性，以满足试验要求，同时还要通过测点的布置突出现场检测工作的重点，如预应力混凝土连续箱梁正弯矩区底板必须布设测点，负弯矩区顶板必须布置测点；第三，为保证检测数据的可靠性，控制截面的测点数量应足够多，以免测点遭到破坏或者失效，同时测点布设应便于安装仪器及采集数据，以保证现场测试工作的安全开展；第四，剪力测点应沿左右腹板布设，挠度测点应布置在纵桥向弯矩包络图确定的控制截面处，此外，预应力混凝土连续箱梁横桥向测点布设不得少于3 个，且测点应沿轴线对称布设；第五，编写检测方案时，应准确标注应变、位移测点位置，便于现场实施；第六，位移测点分别布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ截面时，每个截面底板应布置5 个测点，Ⅲ-Ⅲ、Ⅵ-Ⅵ截面作为支点沉降修正，每个截面布置2 个测点；应变测点分别布置在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ截面时，每个截面箱室外底板应布置7 个应变测点，箱室外左右腹板各布置2 个应变测点，箱室内每个箱室顶板布置3 个测点；Ⅵ-Ⅵ截面，左右腹板分别布置一组剪力测点[1]。

2.4 应变传感器和位移传感器的选择

目前应变的测试方法主要有电阻式和振弦式两种，电阻式应变片价格相对便宜，精度高，现场能通过采集系统自动采集数据，但是对贴片质量要求很高，如果应变片现场粘贴不好，数据会失真。振弦式传感器是通过在桥梁结构上安装底座以实现协同变形，振弦式传感器抗干扰能力强，安装和数据采集较方便，数据稳定性好。因此，该应变测量采用振弦式应变传感器。同时，位移测试时可选择百分表、千分表、精密水准仪、高精度全站仪等设备，其中百分表、千分表适合方便搭设支架、净空不高且挠度理论值小于5mm时的桥梁；精密水准仪操作简单，能够自动观测和记录，适用中小跨径的桥梁位移测量；高精度全站仪测量精度高，能够360°自寻目标、自动跟踪、自动照准、自动测量，测试效率高，检测数据可实时上传至电脑，且跨径越大，高精度全站仪优势越明显，其能够更好地保证现场检测效率和数据质量。在实际工程中，应根据检测条件选择最有效的检测方法，为此该位移测量选择高精度全站仪。

2.5 静载试验测试结果

工况1：主要应变测点校验系数介于0.59～0.70之间，相对残余应变最大值为10%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.46～0.54 之间，相对残余变位最大值为10.2%，小于20%。

工况2：主要应变测点校验系数介于0.57～0.70之间，相对残余应变最大值为11.7%，小于20%，主要挠度测点校验系数位于0.57～0.69 之间，相对残余变位最大值为3.1%，小于20%。

工况3：主要应变测点校验系数介于0.63～0.71之间，相对残余应变最大值为10.0%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.56～0.61 之间，相对残余变位最大值为8.8%，小于20%。

工况4：主要应变测点校验系数介于0.60～0.75之间，相对残余应变最大值为11.1%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.68～0.77 之间，相对残余变位最大值为5.8%，小于20%。

工况5：主要应变测点校验系数介于0.45～0.77之间，相对残余应变最大值为16.7%，小于20%。

工况6：主要应变测点校验系数介于0.63～0.76之间，相对残余应变最大值为18.2%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.51～0.66 之间，相对残余变位最大值为8.8%，小于20%。

工况7：主要应变测点校验系数介于0.43～0.67之间，相对残余应变最大值为18.8%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.69～0.75 之间，相对残余变位最大值为3.5%，小于20%。

工况8：主要应变测点校验系数介于0.66～0.76之间，相对残余应变最大值为12.1%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.39～0.48 之间，相对残余变位最大值为7.4%，小于20%。

工况9：主要应变测点校验系数介于0.69～0.75之间，相对残余应变最大值为15.4%，小于20%，主要挠度测点校验系数介于0.50～0.54 之间，相对残余变位最大值为5.9%，小于20%。

工况10：主要应变测点校验系数介于0.55～0.75之间，相对残余应变最大值为10.2%，小于20%，

由上可知，主要应变测点的校验系数最大值为0.77，相对残余应变最大值为18.8%，挠度测点的校验系数最大值为0.77，相对残余变位应变最大值为10.2%；符合《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）中校验系数小于1，相对残余小于20%的规定，表明试验跨在设计荷载（公路-I 级）作用下，处于弹性工作状态，其刚度和强度满足设计要求。

3 动载试验内容

桥梁结构的动力特性（振型、频率、阻尼比、冲击系数）是桥梁承载力评定的重要参数，同时也是识别桥梁结构工作性能和桥梁抗震分析的重要参数。该测试中桥梁结构动力参数主要有：结构振型、基频、阻尼比、冲击系数等。

3.1 自振特性

桥梁自振频率、振型、阻尼比测试时，试验设备选用DH5907N 无线桥梁模态测试分析系统（东华测试）。模态测试纵向共布置13 个测点，边跨按4 分点进行布置，中跨按8 分点进行布置，横桥向位于中心线上，传感器采用竖向加速度/速度传感器。动载试验理论计算模型采用静载试验建立的计算模型。通过计算，该桥理论计算的一阶竖向振动频率f=0.823Hz，实测一阶竖向振动频率f=1.123Hz，阻尼比为0.754%。由此可见，试验跨的实测振动频率值较理论计算值高，表明实测结果反映的结构竖向刚度比理论计算反映的结构刚度大，因此试验跨整体刚度能够达到设计要求，且试验跨结构的阻尼比处于正常范围。实测第一阶竖向振型见图3。

图3 实测第一阶竖向振型图

3.2 冲击系数

桥梁动力响应试验包括无障碍跑车试验、跳车试验、刹车试验；无障碍跑车试验车速宜保持在5～80km/h，跑车时车速应保持匀速。跳车试验时弓形障碍物布置在结构变位最大的部位，速度宜保持在5～20km/h；刹车试验时，速度宜保持在30～50km/h；跑车试验时速度的选择应考虑设计车速、桥面宽度、桥面坡度等诸多因素。此外，应根据现场检测情况来确定需要几辆加载车，当单辆车的动力响应不明显时，需要增加到两辆或多辆，车辆应横向并排同时跑车，在跑车过程中，要保证车辆的横向间距不变。在测试桥梁冲击系数时，控制截面应选取桥梁结构振动响应幅值最大的截面。采用动挠度测试时，每个截面测点不应少于1 个，采用动应变测试时，每个截面测点数不宜少于2 个，对于每个车速工况而言，通常需要进行2～3 次重复试验。

试验设备选用北京光电挠度仪（BJQN-5B），采用载重汽车在不同车速时的跑车试验，并对无障碍行车试验进行动挠度数据采集。跑车试验中，车辆速度定为20km/h、30km/h、40km/h，冲击系数分别为0.012、0.016、0.031，小于规范计算值0.05[2]。

4 结语

通过将上述测试结果与《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中的等效设计荷载（公路-I 级）对比可知，该高架桥第7 联的强度、刚度均满足设计要求，结构处于弹性工作状态。桥梁荷载试验是确定桥梁承载能力最有效、最直接的方法，其能够直接反映出桥梁结构的工作性能，从而为桥梁的维修和养护提供准确的数据依据。因此，在实际的检测过程中，要严格按照相关规定进行操作，确保桥梁结构安全。希望通过预应力混凝土变截面箱梁荷载试验，能为同类型桥梁荷载试验提供参考依据，进而保障桥梁工程的安全运营。