荷载试验评价预应力钢筋混凝土桥梁承载力试验研究

蒲昌瑜

摘要：本文通过对一座1998年修建的桥梁上部结构荷载试验，结合桥梁博士、Midas有限元分析软件模拟，得出了静、动荷载作用下预应力桥梁上部结构的受力特性，并验证了理论计算预应力构件固有自振特性的可行性。得出了一系列有益的结论，供同类工程参考。

关键词：荷载试验;承载力;数值模拟;试验

Abstract: Through the load test on the upper structure of a bridge built in 1998, and combining with the simulation by Doctor Bradge and Midas finite element analysis software, the paper concludes the mechanical property of the prestress bridge upper structure under the static, dynamic loading, and verifies the feasibility of inherent self-vibration property of theoretical calculation pre-stressed beam. And then this paper makes a series of beneficial conclusion for providing reference for similar projects.

Keywords: load test; bearing capacity; numerical simulation; test

中图分类号: U448.35文献标识码：A文章编号：

1 概述

公路做为交通运输重要通道，关系到社会和地区经济发展，其重要性得到了社会的广泛关注。而桥梁做为公路交通的咽喉，其通行能力制约着公路交通运输。目前，桥梁工程界已普遍认识到对现役桥梁结构安全状态进行评估的重要性[1]。在我国的桥梁结构中，中小桥梁数量多，担负相当大的运输任务 [2]。随着交通量日益增大，这些中小桥的承载力势必将影响道路的通行能力。目前我国桥梁检测通常采用规范允许钢筋混凝土桥梁裂缝做为重要指标，对于汽车荷载下桥梁的受力特性分析能对桥梁上部结构运营状态做出评估，对后期的运营安全有较高的指导意义。

本文通过桥梁静、动荷载试验以及数值模拟对桥梁承载力进行分析研究，得出一些宝贵数据和有益的结论，希望为桥梁设计及检测评估工作提供技术支持。

2 荷载试验

本桥所跨河流与路线交角45°，桥梁修建于1998年，桥面净宽15.5米两侧0.5米防撞护栏，上部为6孔13米钢筋混凝土简支空心板桥，3孔一联，共分两联；下部结构为4柱式钻孔灌注桩基础。桥梁现状除有些铰缝脱落外，其余结构良好。

2.1 荷载试验目的

1)静载试验，确定结构测试截面的应变分布情况、桥梁结构实际受力状况；

2)动载试验，掌握桥梁结构的动力特性。

2.2 荷载试验仪器设备

本次桥梁荷载试验采用国内先进的土木工程测试仪器、设备，具有测试精度高，抗干扰能力强，稳定性好等特点。主要仪器设备如表2.1所示。

2.3 荷载试验内容

2.3.1 静载试验

根据简支板桥受力特点及既有同类桥梁的病害特征，选择结构主要控制截面进行静载试验。本桥上部为简支空心板结构，故测试截面选取L/2（应变、挠度）、梁端截面（支点沉降）。

荷载效率η应满足0.8<η≤1.05，试验加载采用分级加载的方式，共分4级加载，1级卸载。每一加载工况稳定约10分钟。

试验加载采用40吨左右的重车，根据控制截面的内力影响线布载，测试截面通过移动加载车达到试验目标值，使控制截面的弯矩与标准活载作用下的设计弯矩之比达到试验荷载效率的要求。

（1）试验内容

灌渠中桥桥跨组合为6孔13m简支空心板。根据现场条件及结构的受力特点，确定选取雄县方向第1孔为试验孔，试验孔主要测试跨中截面底缘应变及跨中挠度。

全桥主要测试断面见图2.1，试验跨挠度测点布置见图2.2。

由上表可知跨中截面A4-A6测点在加载过程中下缘出现开裂导致部分测点失效，因此应变分析应针对跨中位置处混凝土应变推出的钢筋应变进行。跨中截面空心板底及梁侧应变测点校验系数除个别绝对值较小点外，实测应变残余均小于20%。在最大级试验荷载作用下跨中截面处的钢筋应最大拉应变（推算）为71με，理论计算值为122με，两数值做比可求出其效验系数为0.58，满足《评定规程》中钢筋混凝土梁桥裂缝宽度及应力校验系数在0.40～0.70之间的要求，说明试验空心板结构强度满足要求。

经试验现场观测，在加载最大级对称试验荷载过程中，对试验孔跨中截面板底及侧面进行观测，裂缝均未超限，说明试验空心板结构强度满足要求，这与表2.4中应变测试结果得出结论是一致的。

3）挠度分析

表2.6所示为A截面挠度测点在工况一对称试验荷载下的实测挠度值。

实测挠度残余较小，相对残余均明显<20%，说明结构整体处于良好的弹性工作状态。

2.3.2动载试验

桥梁结构的动力特性，如固有频率、阻尼系数和振型等，只与结构本身的固有性质有关，是结构振动系统的基本特征，桥梁结构在实际动荷载作用下，各部位的动力响应，反映了桥梁结构在动荷载作用下的受力状态。

（1）试验内容

本桥动载试验拟通过脉动试验和行车试验测定桥梁作为一个整体结构在动力荷载作用下的受迫振动特性和结构的自振特性，以评价结构的现有工作状态。

本次动载试验选择在简支空心板第6孔上进行，在测试跨跨中截面处布置竖向振动测点，测点布置如图2.6所示。

（2）自振特性测试

桥梁所处高速公路封闭交通，通过测试，测定结构由于风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应。采用北京东方振动和噪声技术研究所开发的模态分析软件进行自振特性参数分析。

在1#墩墩顶设置参考点，在各跨跨中、墩顶布设测点，测试时间为0.5小时，详细测点布置见图2.4。

在测试桥跨结构振动响应要注意保证信号完整，信号测试长度应足够，并需照顾到各测试通道的动态范围，小信号足够灵敏，大信号不饱和，测试时配有示波器监视振动响应信号的质量。

（3）测试结果分析

自振特性测试时，采样频率设为51.2Hz。频谱分析及模态识别时，为增加频谱分析的分辨率，放大器低通滤波器设为20Hz，分析采用20Hz以内的信号。

测试时程曲线及幅值谱见图2.5。

信号的频率应为随机激振下的结构自振频率的体现。

3 数值分析

3.1 静载试验

对该桥结构进行计算分析，采用桥梁博士软件。桥梁博士计算模型见图3.1、3.2，试验孔跨中梁中板截面尺寸大样见图3.3。

由图3.4中数据可知，跨中梁底挠度测点在各级荷载下实测值均小于理论计算值，且实测挠度数值连线规律性与理论值基本一致，说明该桥试验孔横向连接性能良好。

本截面实测最大挠度为3.07mm，远小于L/600＝13000mm/600＝21.6mm，结构刚度满足要求。

3.2 动载试验

依据该桥竣工图的几何尺寸和材料参数，采用MIDAS软件，建立有限元模型（图3.5），运用子空间迭代法，对该桥进行模态分析，得出该桥前两阶竖向固有频率（表3.1），使用INV频率计计算阻尼比。

4 结论

由前述静载试验结果可知：

通过试验加载过程中对跨中截面空心板梁下缘的观察，发现梁体裂缝均未超限，梁体抗裂性满足要求。

在最大级对称荷载作用下，测试截面最不利空心板下缘通过混凝土应变反推出的钢筋应变测点校验系数0.58，满足《评定规程》中规定的预应力混凝土应变（或应力）校验系数范围（0.30～0.70）；该工况下跨中各梁截面实测挠度与理论值的比值为0.25～0.34，满足《评定规程》中规定的钢筋混凝土桥挠度校验系数范围（0.40～0.80）。

梁底挠度测点实测数值连线与理论计算值总体趋势一致，且小于理论值，说明桥梁结构横向连接性能较好。

由前述动载试验结果可知：

从动力特性参数分析结果看来，竖向一、二阶实测频率均高于理论频率，实测频率与理论频率比值在1.4～1.6之间，竖向一阶模态阻尼比为0.66%，竖向二阶模态阻尼比为0.51%。

桥梁刚度高于理论值，结构动力性能正常。

参考文献：

[1] 高怀志，王君杰.桥梁检测和状态评估研究与应用[J].世界地震工程，2000，16 (2)：57~64.

[2] 王展意.我国公路桥梁建设的回顾与展望[J].中国公路学会桥梁和结构工程学会一九九八年桥梁学术讨论会论文集，1999：1~4.

[3] 王有志，张宏同，徐鸿儒等.在用钢筋混凝土梁式桥的安全性评估[J].水运工程，200222(5)：39~41.

[4]《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）

[5] 《公路桥梁承载能力检测评定规程》（征求意见稿）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。