T型刚构桥静动载试验研究

摘要：为评定某T型刚构桥的实际承载能力，检验桥梁施工质量，本文采用有限元方法进行结构计算，设计了加载方案，并通过现场静、动载试验的方式，利用加载车辆作用激发桥梁结构的振动和位移，获取桥梁关键截面的应变、挠度及加速度等实测数据，将实测数据与理论数据进行比较分析。分析结果表明：在静荷载作用下，各工况挠度、应变校验系数均小于1.0，相对残余变形及应变均不大于20%，实测基频大于理论基频，在动荷载作用下，动应变增量系数均大于规范允许值，冲击系数较大，综合评定该桥承载能力满足设计要求，但在运营期间应加强桥面养护，保持平整通畅。

关键词：T型刚构桥；荷载试验；承载能力；有限元分析

中图分类号：U44""""""""" 文献标志码：A

截至2022年底，我国已建成公路桥梁103.32万座，总长度8576.49万延米[1]。虽然公路桥梁建设的快速发展带来了巨大的社会经济效益，但也有桥梁垮塌、损毁等质量问题，为保证新建桥梁的施工质量，最直接有效的手段是对桥梁进行荷载试验，以检验桥梁承载能力是否满足设计要求。根据加载方式，可将桥梁荷载试验分为静载和动载试验，静载试验测得的桥梁关键截面应力及挠度数据可反映桥梁结构的强度、刚度等性能，动载试验则可获得桥梁结构的自振特性和动力响应，包括移动车辆或其他移动荷载作用下桥梁指定截面上的动应变、动挠度或者加速度等[2-3]。通过荷载试验，可对桥梁的整体质量进行综合评定，全面掌握桥梁结构的工作性能。

本文以某T型刚构桥（100m+100m）为例，首先，采用大型通用有限元软件Midas Civil建立有限元模型，并对其进行结构计算，设计加载方案，其次，进行现场荷载试验采集实测数据，最后，比较实测值与理论值，计算并考虑试验现象后进行综合分析，全面评估该桥梁结构性能及使用功能是否满足设计要求，为桥梁运营的安全性提供技术依据，并为今后桥梁维护、管理提供原始资料。

1工程概况

试验桥例左、右幅孔跨布置均为（100+100）m预应力混凝土T型刚构，左幅纵坡-1.5%，右幅纵坡-1.6%。测试主梁为单箱单室变截面预应力混凝土箱梁，梁顶全宽16.75m，梁底宽8m，桥面横坡单向2%，中支点截面梁高11.5m，边支点截面及边跨合龙段梁高均为4.0m，梁底线形按1.6次方抛物线渐变，中支点截面底板厚度为1.3m，渐变至边跨合龙段0.32m，再从合龙段渐变至梁端0.7m。

下部结构主墩采用双肢薄壁墩，截面形式采用实心矩形，单肢尺寸为8.0m（横桥向）×2.0m（顺桥向），桥墩双肢间净距为3.0m，墩顶与主梁0#节段固接，墩底固结于承台。过渡墩采用矩形实心墩，纵桥向宽2.5m，横桥向宽10.5m。主墩承台采用14.0m×14.0m×5.0m矩形承台，过渡墩承台采用14.0m×7.0m×3.0m矩形承台，主墩桩基均采用9根直径为2.0m的桩基，过渡墩采用6根1.8m的桩基，主桥桩基按嵌岩桩设计，现浇箱梁采用C55混凝土，主墩和过渡墩墩身采用C50混凝土，桥墩桩基、承台采用C30混凝土，设计荷载为公路-I级。

2静载试验

2.1理论计算

采用桥梁通用有限元软件Midas Civil建立有限元模型，并分析结构，全桥共划分为112个节点，116个单元，箱梁材料采用C55，主墩采用C50，承台采用C30，单元类型全部采用梁单元，主桥计算模型如图1所示。在试验中，主跨车辆横桥向按中载布置，通过有限元计算分析，确定正常使用极限状态车辆荷载作用下的最不利断面，当本桥静载试验时，选择对应的截面和测点进行测试，图2为主桥挠度测试截面图。

2.2理论与实测数据分析

以左幅桥为例，试验加载分为第一跨最大正弯矩、墩顶最大负弯矩及第二跨最大正弯矩等3个工况，在对应工况车辆分级加载及卸载作用下，主梁各测点的挠度实测值、计算校验系数η见表1和表2，相应的挠度曲线如图3、图4所示。

由表1和表2、图3、图4可知，在分级加载作用下，各测点实测挠度值均小于理论计算值，挠度校验系数均小于1.0，表明结构竖向刚度满足设计及使用要求。同时在试验车辆卸载后，各测点的挠度残余值均小于规范的允许值20%，表明结构处于线弹性工作状态。

主桥2号应变测试截面距主墩右侧1m，应变测点按5等分点布置在箱梁截面右侧腹板，1号、3号测试截面对称布置在距主桥两端29m处，应变测点按5等分点布置在箱梁截面底板。本文提取左幅对应工况下1号至3号截面应变测试数据，结果见表3～表5，相应的应变分布图如图5～图7所示。

由表3～表5和图5～图7可知，在对应工况车辆分级加载及卸载作用下，主梁截面各测点实测应变值均小于理论计算值，应变校验系数η均小于1.0，说明桥梁结构强度满足设计及使用要求。同时试验车辆卸载后，各测点的残余应变与实测总应变的比值均小于规范容许值的20%，表明结构处于线弹性工作状态。

3动载试验

桥梁在车辆荷载作用下会产生振动、冲击等动力反应，动载试验可通过测试数据及波形分析，获取桥梁结构的动力特性，检验桥梁在正常使用极限状态下的实际承载能力，同时对桥梁的整体动力性能进行评定[4-6]。测试工况包括脉动试验、行车试验及刹车试验等。

3.1脉动试验

在桥面无行车及任何规则振源的情况下进行试验，测试桥梁结构的微小而不规则的振动响应，并进行谱分析获取桥梁结构的基频，分析结果见表6。

由表6可知，试验桥跨的基频实测值大于理论计算值，表明所测结构实际刚度大于设计刚度，根据桥梁自振频率评定标准，该桥左、右幅自振频率评定标度均评定为1。

3.2行车及刹车试验

行车及刹车试验是评估桥梁结构在实际荷载作用下动力性能和安全性的重要方法。试验选取跨中附近正弯矩最不利截面，每个截面布置3个测点，在箱梁底板布置测点。行车试验采用1辆总重约400kN的加载车辆，分别以20km/h、30km/h、40km/h的速度通过桥梁，测试桥梁主体结构在车辆移动荷载作用下的动态反应，刹车试验采用加载车分别以20km/h、30km/h的速度，在选取的跨中附近正弯矩最不利截面上进行紧急刹车，测试主梁控制截面的动应变（应力）及增量，以评估桥梁在车辆采取紧急制动措施时的动力性能。本文以左幅桥为例，提取试验桥跨动应变测试分析结果，见表7和表8。

由表7和表8可知，桥梁试验跨无障碍行车试验最大动力系数为1.063，对应动应变增量系数为0.063，刹车试验最大动力系数为1.150，对应动应变增量系数为0.150，分析可知，本桥动态应变增量系数均大于计算的规范允许值0.05（flt;1.5Hz），表明该桥冲击系数较大，在后续运营期间应加强桥面监控和养护，防止桥面出现破损，坑槽等病害。

4结论

在试验静荷载作用下，该桥各测试截面主要测点的挠度校验系数和应变校验系数均小于1，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21—2011）[7]的相关要求，主要控制测点相对残余挠度和相对残余应变不大于20%，表明该桥试验跨刚度、强度均满足设计和使用要求。在无任何交通荷载及桥址附近无规则振源情况下，桥梁左、右幅基频实测值均大于理论计算值，自振频率评定标度均评定为1。在试验动荷载作用下，该桥左、右幅动态应变增量系数均大于计算的规范允许值0.05，表明该桥冲击系数较大，在运营期间应加强桥面监控和养护。本文试验成果可为今后同类型桥梁的设计和施工提供参考。

参考文献

[1]交通运输部.2022年交通运输行业发展统计公报[N]. 中国交通报，2023-06-16（2）.

[2]杨正斌. 桥梁荷载试验车辆自动化布载算法研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2016.

[3]杨美云. 桥梁荷载试验车辆自动化布载研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2014.

[4]周海俊，吴永昌，谭也平，等. 桥梁荷载试验研究综述[J]. 中外公路，2008，28（4）：164-166.

[5]马国兴. 公路桥梁检测中荷载试验的应用技术初探[J]. 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术，2023（12）：94-97.

[6]张军辉. 大跨径连续刚构梁桥荷载试验评定与研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2009.

[7]交通运输部. 公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/TJ21—2011[S]. 北京：人民交通出版社，2011.