三棵树跨线桥静动载试验分析

张宏祥，刘 泉

（1.东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040；2.中国市政工程华北设计研究总院，天津 300074）

0 序言

三棵树跨线桥跨越三棵树交通的铁路干线，是哈尔滨通往宾县、木兰、通河等农业地区的通道，对支持工农业生产，方便群众，保证安全等都有重大意义。该桥始建于1965年，已经运营多年，桥面铺装已发生严重破损，表面凹凸不平，各主梁之间横向连接较弱，基本已失去作用，不能有效地传递剪力，出现单板受力现象，在车辆荷载作用下主梁横向分布不均，个别底板梁底有纵向裂缝，最大的裂缝长达2.5 m，裂缝宽达0.3 mm，严重影响结构的耐久性。为了解该桥的实际技术状况，对该桥进行了静载和动载试验。

1 静载试验与试验结果分析

静载试验是桥梁结构检测的一个主要内容，其目的是测试主桥结构在试验荷载作用下的实际工作状态，以评定桥梁现有技术状况和实际承载能力，为大桥的维修与加固提供理论依据[1]。

1.1 加载工况和测点布置

该桥为装配式预应力空心板简支梁桥，共9孔，每孔16.8 m，全长151.20 m，桥梁横断面图见图1。根据该桥的结构特点和桥下交通情况，拟选定主桥东侧方向10＃桥台和9＃桥墩为静载试验孔，以减少支架搭设费用，同时把对交通的影响降至最低程度。选取试验孔跨中断面和9＃墩墩底为测试截面，见图2。

该桥原设计荷载为汽-13，按照新桥规采用0.75倍的公路-Ⅱ级荷载作为设计荷载进行加载试验。试验根据设计标准荷载计算出各有关截面的变形和内力荷载效应[2]。试验荷载车辆全部采用3轴汽车加载，按照各控制截面的内力和变形影响线，根据荷载效应等效原则[3]计算各试验工况需要使用的汽车数量。各工况的试验荷载效率见表1。

表1 各工况试验荷载加载工况及其加载效率汇总表

在试验孔跨中断面梁底缘各设1块百分表，共设11块表。主梁混凝土应变测点布置于跨中截面1#边梁的侧面，沿梁高共设5个测点。应变采用JMZX-200X综合测试仪、智能弦式数码应变计进行测定，同时用千分表对电测结果进行校核。

在9#墩北侧第1根和第6根柱东侧方向，距底面50 cm处各设1块百分表，共设2块表。

1.2 试验结果分析

1.2.1 试验孔跨中截面挠度测试分析

在跨中截面2个加载工况中，跨中截面发生最大挠度的实测值与计算值的比值，即挠度校验系数见表2。

表2 最大挠度实测值与计算值比较表

表2中的数据表明，在工况1和工况2试验荷载作用下，试验孔主梁的挠度校验系数最大值分别为0.463和0.394，小于预应力混凝土梁桥挠度校验系数η的常见值0.6～1.0的下限值。根据挠度试验值，按除恒载因素外的短期荷载组合计算的长期挠度的试验值与计算跨径比值，均小于l/600。表2中数据亦表明在工况1试验荷载作用下，实测的主梁挠度最大的是5#梁，而理论上应该是6＃梁，产生理论与实际相背离的主要原因是5＃梁与6＃梁无可靠的横向连接。在工况2试验荷载作用下，实测主梁的挠度分布规律与理论基本相符。

上述分析说明该梁的竖向刚度能够满足0.75倍的公路-II级荷载的设计和使用要求，且有一定的安全储备。

试验结果表明：在工况1和工况2试验荷载作用下，试验孔主梁跨中挠度的相对残余变形均小于10%，表明桥跨结构基本处于弹性工作状态。

1.2.2 试验孔跨中截面应变测试分析

在工况1和工况2试验荷载作用下，混凝土应变沿梁高分布基本呈线性分布。为减少试验误差，应用最小二乘法原理对各截面测点数据进行回归分析，确定一条误差较小的最佳试验曲线，即沿梁高变化的直线方程。根据最佳试验曲线，将应变乘以混凝土弹性模量，即得到相应测点的混凝土应力，工况1试验荷载作用下1#梁和工况2试验荷载作用下1#梁应变曲线见图3和图4。

根据试验结果计算得到，混凝土应力校验系数为0.267～0.711，跨中断面混凝土应变沿梁高的变化基本符合受弯构件的平面假设。混凝土应力校验系数最大值为0.711，介于预应力混凝土梁桥应力校验系数常见值0.5～0.9之间，但接近于《公路桥梁承载力检测评定规程》常见预应力混凝土梁桥的上限值。这说明该桥混凝土强度虽然能满足0.75倍公路II级荷载的设计及使用要求，但安全储备小。

1.2.3 试验孔基础沉降分析

在工况3和工况4试验荷载作用下，试验桥墩基础最大沉降为0.035 mm，卸载后沉降全部恢复。因此，基础在试验荷载作用下能正常工作。

2 动载试验与试验结果分析

2.1 试验概括加载工况和测点布置

动载试验采用一辆试验汽车作为动力试验荷载，车重为16.42 t，用于跑车、刹车和跳车试验。

跑车试验时，试验车在该桥的下行车道的中线位置进行单向行驶，行驶方向以市区方向往水泥厂方向行驶，分别以5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h的车速均匀驶过桥面。刹车试验，试验车在该桥的下行车道的中线位置进行行驶，分别以20 km/h、30 km/h的车速均匀行驶，在进过控制断面时由指挥人员给出刹车手势，进行刹车试验。跳车试验时，将事先做好的三角垫木（高度为15 cm）放在控制断面位置处，试验车后轮压在三角垫木上，使车轮突然下落给桥面一瞬间冲击力。

根据该桥的结构特点和主梁的裂缝情况，选定1号台至2号墩之间的边跨为试验孔，跨中断面作为这次动载试验的控制断面。

在试验孔跨中断面的桥面一侧防撞墙内侧10 cm，设置一个竖向速度计，和一个纵桥向速度传感器作为动态特性测点。在试验孔跨中断面的的边梁（1＃主梁）及中主梁（5＃主梁）的梁底缘分别设置一个混凝土动挠度测点作为动力响应测点。

2.2 试验结果分析

2.2.1 自振频率f0测试

跑车试验时，当荷载试验车辆驶离试验桥跨后，由于惯性的作用试验桥跨结构的振动不会立即恢复到平衡位置，仍在自振。在进行跳车试验时，突然施加于桥面的冲击荷载激起桥跨结构产生自由振动。但由于阻尼作用的存在，消耗了振动的能量，结果振动在不长的时间内逐渐衰减，直到桥跨结构恢复到稳定平衡位置为止。

利用放置在试验孔桥面上的速度传感器测得冲击荷载下桥跨结构自由衰减振动的时域曲线。对采集到的时间历程图波形进行频谱分析，获得自振频率f0=4.11 Hz，跳车试验荷载作用下试验测试断面竖向固有频率图与时间历程图见图5。

理论计算所得的主梁自振频率f0=4.12 Hz（未考虑桥面铺装作用，仅计算主梁的自振频率），实测数据与理论数据十分接近，表明实际结构的整体性比较差。

在进行动荷载刹车试验时，分别以20 km/h、30 km/h的车速均匀行驶，实测纵向固有频率图见图6和图7。分析所得三棵树跨线桥纵向固有频率依次为 f20=3.82 Hz；f30=4.01 Hz。

2.2.2 阻尼特性测试

桥梁在振动过程中，除受介质阻尼作用外，还受材料内部阻尼、支座摩擦等作用影响。阻尼作用可对结构振动起到衰减作用，这对降低动荷载的动力作用、减少结构材料的疲劳破损是有利的。通过利用放置在试验孔桥面上的速度传感器测得跑车作用下桥跨结构自由衰减振动的时域曲线，对采集到的时间历程图波形进行分析，无负载阻尼特性值ζ1=0.076 5，试验采集数据图见图8。

结构的实测阻尼比0.076 5，而桥梁常见阻尼比范围在0.22%～5.73%，这说明桥跨结构具有较大的阻尼，对减少结构振动是有利的。

2.2.3 冲击系数测试

不同车速的测试断面处的冲击系数见表3，分析冲击系数与车速之间的相关关系见图9。

表3 不同车速下冲击系数1+μ试验数据表

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算的冲击系数为1.234 5，实测的冲击系数较大，主要是桥面不平整所致。

3 结论

通过对该桥进行静动载试验得出如下结论：

（1）在试验荷载作用下，试验孔主梁的挠度校验系数最大值为0.463，均小于预应力混凝土梁桥挠度校验系数η的常见值0.6～1.0的下限值。说明该梁的竖向刚度满足0.75倍的公路II级荷载的设计和使用要求，且有一定的安全储备，挠度相对残余变形均小于10%，桥跨结构基本处于弹性工作状态。

（2）主梁混凝土应变分析表明，控制断面混凝土应变沿梁高的变化基本符合受弯构件的平面假设。主梁混凝土应力校验系数最大值为0.711，接近于常见预应力混凝土梁桥的上限值。这说明该桥混凝土强度能满足0.75倍公路II级荷载的设计及使用要求。

（3）冲击荷载下桥跨结构自振频率f0=4.11 Hz与理论计算所得的主梁自振频率f0=4.12 Hz十分接近。

（4）跑车作用下桥跨结构的实测阻尼比ζ1=0.0765，桥梁常见阻尼比范围在0.22%～5.73%。这说明桥跨结构有较大的阻尼，对减少结构振动有利。

（5）不同车速下的冲击系数的实测结果表明，该桥具有较大的冲击系数。冲击系数随车速的增大而增大，在时速为40 km/h时，冲击系数达1.331，表明该桥具有较大振动。这主要是由于桥面破损，桥面平整度差所致。

综上所述，主梁跨中断面的抗弯承载力和竖向刚度均能够满足0.75倍的公路Ⅱ级荷载的设计和使用要求，但不能满足公路Ⅱ级荷载的设计和使用要求。该桥桥面破损严重，铰缝失效，空心板处于单板受力，存在严重的安全隐患，且该桥年久失修，漏水严重，桥梁耐久性不足。为保证交通安全，对该桥提出以下几点建议：

（1）该桥设计荷载等级低，已不能满足日益增长的交通量及重交通的使用要求，存在安全隐患，建议重建。

（2）如不能及时重建，在临时通车期间，为保证安全，应采取相应的安全措施：

应限重通行，限重的标准为0.75倍的公路II级汽车荷载；应对过往的车辆限速，车速不超过30 km/h；拆除原有的桥面铺装，恢复主梁铰缝处的横向连接钢筋，加铺15 cm×15 cm的直径12 mm的桥面铺装钢筋网，重新浇注混凝土桥面；油毛毡支座失效，建议更换为橡胶支座。

（3）如无重建的可能，也可考虑对该桥进行体外预应力加固方案。

[1]宋一凡，贺拴海.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]谌润水，胡钊芳.公路桥梁荷载试验[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]胡大琳.桥涵工程试验检测技术[M].北京：人民交通出版社，2000.