大跨PC连续梁桥荷载试验研究（交通）

                        周金枝¹  谢  瑛¹  张若钢²

（1．湖北工业大学土木工程与建筑学院武汉430068;  2．中铁大桥科学研究院有限公司  武汉430034）

摘要桥梁荷载试验是对大跨度桥梁的承载能力和结构性能进行评价的有效手段。以某大跨

PC连续梁桥为例，利用Midas软件建立有限元分析模型，依据相关规范规程对该桥进行荷载试验以及相应的分析，试验数据表明该桥主桥承载能力满足设计要求。

关键词  桥梁  荷载试验  承载能力  有限元分析应力  挠度

    为保证桥梁的交通安全并尽可能延长桥梁的使用寿命，需要对桥梁当前状态下的承载能力进行评定。桥梁荷载试验是判定桥梁承载力性能最直接有效的方法之一。本文以某大跨PC连续梁桥为例，通过试验对该桥承载能力状况与使用条件做出总体评价。

1桥梁概况

    某大跨PC连续梁桥主桥上部结构为45 m+65 m+14×80 m+65 m+45 m-联预应力混凝

土变截面连续箱梁，梁体为宽翼缘斜腹板单箱单室截面。主桥横向为一个单箱结构，主桥梁体为宽翼缘斜腹板单箱单室梁，主桥箱梁顶板宽20m，底板宽8. 45～6.68 m，跨中梁高2.4 m，支点处梁高5.1 m，全桥梁体施工采用挂篮悬臂浇筑。桥面布置为0.5 m（护栏）+9 m（行车道）+1.0 m（中央护栏）+9 m（行车道）+0.5 m（护栏），该桥桥面车道布置为双向4车道（非标准），设计荷载：汽一超20级、挂-120。活载效应按4车道计算，横向折减系数0.7（汽一超20级）。该桥立面图及断面图见图1。

2  有限元模型

    在荷载试验前，通过Midas/Civil建立桥梁结构有限元模型，进行结构静力、动力计算分析。静力分析：计算汽车（或人群）荷载作用下各控制截面内力，并根据静载试验基本原则，确定各控制断面加载轮位，输出各试验工况结构效应的理论数值，以此作为试验参考依据，保证静载试验安全顺利地进行。动力分析：分析结构的振动主模态，初步了解结构的振动特性，为动力测点的布置和实桥模态分析奠定基础。

    仿真模型中混凝土主梁采用梁单元，全桥共划分427个节点，426个单元，模型中除1个支座为固定支座外，其余均为活动支座，即释放该节点处的梁端转角和纵向位移，有限元模型见图2。

3静载试验

    静力荷载试验是指通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的静态外加荷载，利用检测仪器测试桥梁结构控制部位与控制截面的力学效应，从而评定桥梁承载能力。主要试验内容为：在静载作用下结构的位移、结构控制截面的应力分布、外观及裂缝观测。主要试验原则：静载试验各工况下所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应值，按下式所定原则等效换算而得（注：该桥建于1990年，鉴于设计以及相关要求，静载试验效率参用《公路旧桥承载能力鉴定方法》（试行））：

3.1  测试截面及测点布置

    根据试验跨的结构特点和受力特性，并结合规程要求，选取以下试验截面，见表1。

    考虑到箱梁高度远大于箱壁厚度，将各测试截面上的应变测点全部布置在箱内，底板测点布设在底板上表面，顶板测点布设在顶板下表面。

3.2加载工况及效率

    由《公路桥梁承载能力检测评定规程》对试验项目的原则规定，针对上述结构控制截面，按照有限元计算的内力包络图和内力影响线结果，确定试验跨以及静力加载工况如下。

    主梁各测试截面的试验荷载效应与标准荷载效应对比列于表2。由表2可见，各截面加载效率均大于规定值80%，试验满足规范要求。

3.3试验结果与分析

3.3.1  主梁应力分析

各工况静载试验应力结果见表3。

    由表3可见，实测应力校验系数在0. 54～0. 98之间，实测值均小于计算值，梁体强度满足设计要求，卸载后，残余应变较小，底板残余应变率均低于20%，结构处于弹性工作状态。

3.3.2  主梁挠度分析

各工况静载试验挠度结果见表4。

    由表4分析得知，试验荷载下挠跨比均小于规范限值(L/600)，各测点校验系数在0.65～

0. 81之间，实测结构刚度满足要求。

4动载试验

    动载试验是利用车辆荷载（或环境）激起桥梁结构的振动，然后测定其固有频率、阻尼比、振型、冲击系数、行车响应等参数，从而判断桥梁结构的整体动力刚度、行车性能。

4.1  脉动试验结果及分析

    脉动试验主要测量主桥的自振频率、振型和阻尼比。脉动试验测点布置见图3。

通过对该主桥各测点采集到的脉动信号进行剪切、滤波、加窗、细化等处理，经频域和时域分析，得到了主桥梁体竖向低阶弯曲振动频率及相应振型、阻尼比，如表5所列。鉴于带通滤波相当于对频域信号进行非均匀加权，因此表5中给出的阻尼比要略小于实际值。从分析结果可以看出实测低阶频率均大于计算值，表明实际桥梁刚度满足设计要求。

4.2  冲击系数分析

    实测该桥主桥结构基频为1. 075 Hz，该桥设计冲击系数取值为0. 05。2次动挠度测试跑车试验冲击系数实测冲击系数最大值为0. 07，此时平均值为0.05，等于设计冲击系数值，符合规范要求。

5结论

    (1)在试验荷载作用下受力控制断面的实测应力、挠度值均小于计算值，实测应力在正常范围之内，梁体强度、刚度满足设计及规范要求。

    (2)各工况卸载后，残余应变及残余变形均在规范规定的20%以内，说明结构产生的变形能够得到恢复，结构处于弹性工作状态。

    (3)实测低阶频率均大于计算值，表明实际桥梁刚度满足设计要求。上部结构实测自振频率与理论计算频率的比值大于1.1，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG／T J21-2011)，该桥主桥自振频率评定标度为1。

    (4)各试验跨实测冲击系数等于设计冲击系数值，满足设计要求。