某高架桥荷载试验分析研究

朱正

摘要：为了检验高架桥竣工后的承载能力是否满足正常使用状况的要求以及评估实际结构的动力性能，对全桥展开荷载试验分析，为桥梁的竣工验收提供科学的依据。研究结果表明，试验桥梁的受力性能和正常使用状态极限承载力满足设计荷载等级公路-I级要求，结构工作状况良好。

关键字：高架桥；连续梁桥；极限承载力；动力特性；MIDAS

Abstract: In order to test the bearing capacity of viaduct after completed whether can meet the requirements of normal use condition and evaluate the dynamic properties of the actural structure, this paper carries out the load test analysis of the whole bridge, which provides the scientific basis for the bridge completion acceptance. The results of the study show that the mechanical properties and normal use condition ultimate bearing capacity satisfy of the tested bridge can meet the requirements of the design load level road-I level, and the structure work is in good condition.

Keyword: viaduct; continuous girder bridge; ultimate bearing capacity; the dynamic properties; MIDAS

中图分类号: U448.28文献标识码：A文章编号：

为了加快无锡市城市化进行和经济的快速发展，针对交通拥挤，车速下降，事故增多的问题，在近两年修建了许多高架道路和快速道路。

为了保证高架桥梁成桥后的正常运营，有必要通过桥梁现场荷载试验对桥梁结构工作状态进行直接测试，以此确定桥梁的实际承载能力。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验。

静载试验[1]是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段。静载试验是量测桥梁在各种静力荷载工况下的各个控制截面的应力应变以及结构的变形，从而确定结构的实际工作性能与设计期望值是否相符，它是检验结构强度、刚度以及其他性能最直接、最有效的方法。动载试验[2,3]是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，然后测定其固有频率[4]、阻尼比[5]、振型、动力冲击系数等参数，从而判断桥梁结构的整体刚度、行车性能。动载试验往往是结合静载试验使用，并通过荷载试验建立桥梁初始技术档案。

1工程概况

无锡市某高架桥主桥为（32+50+32）m预应力混凝土变截面连续箱梁，桥面总宽为35.25m，横向布置为2.5m（人行道）+6m（非机动车道）+1.5m（侧分带）+11m（机动车道）+2m（中分带）+11m（机动车道）+1.25m（安全带）。主桥箱梁分两幅设计，单幅桥为变截面单箱双室箱梁，由于道路设计中心线不在道路的中心，根据道路横坡，右幅箱梁梁顶、底水平，左幅箱梁梁顶、底板同桥设置1%的纵坡，坡向路边。箱梁跨中及端支点梁高1.6m，墩顶梁高2.9m。箱梁顶板宽17.46m，厚度25cm；底板宽12.06m，厚度25~65cm；腹板为直腹板，厚度45~70cm。箱梁在支点处均设横隔板，端支点处隔板厚1.3m，中止点处隔板厚2.0m。

该桥的设计荷载为公路-I级。为了检验成桥后桥梁的承载能力是否满足正常使用状况的要求以及评估实际结构的动力性能，对全桥展开荷载试验分析。

图1 某高架桥主桥全桥布置图

图2 某高架桥主桥截面布置图（单位：cm）

2 荷载试验实施方案设计

2.1计算方法和有限元模型

利用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil对该桥进行结构计算分析。计算时采用公路-I级荷载加载，活载作用下主桥的弯矩包络值如图3所示，根据主桥活载作用下的内力包络图，可确定各测试控制截面，根据包络图最终确定各控制截面具体位置如图4所示。

各测试截面的具体测试内容如表1所示。

图2设计荷载作用下弯矩包络图

图3测试截面位置示意图（单位：m）

2.2静载试验方案

静载试验采用25t车进行等效加载，为保证试验效果，试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数进行控制，要求在0.95~1.05之间，各截面荷载效率系数见表2所示。

静载试验效率为：

式中：—为静载试验荷载作用下控制截面的内力计算值；

—为控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值；

—为按规范取用的冲击系数。

表2 各截面荷载效率系数计算表

由于该桥为连续梁桥，桥面较宽，加载时采用等效加载，加载图示见图4。应力、挠度测点布置见图5、图6，加载示意图见图7~图10。

图4横向加载图（单位：cm）

图5应力测点布置示意图

图6 挠度测点布置示意图

图7截面1-1车辆纵向加载图(单位：cm)

图8截面2-2车辆纵向加载图(单位：cm)

图9截面3-3车辆纵向加载图(单位：m)

图10截面4-4车辆纵向加载图(单位：m)

图11截面5-5车辆纵向加载图(单位：m)

图12截面6-6车辆纵向加载图(单位：m)

2.3 动载试验方案

动载试验包括车辆激励试验和自振特性测试实验两部分。

车辆激励试验的测试截面选择在活载作用下结构应变最大的位置处，布设KD4001工具式动应变计，采用DRA-107A数字动态应变测试仪对跑车、刹车、跳车分别进行测试。

自振特性测试试验采用环境随机振动法。通过传感器来采集天然脉动信号。并对各测点进行传函分析和模态拟合得出该桥的各阶振动频率和阻尼值。

3 试验数据分析

3.1 静载试验

结构性能评定根据如下：一是按施工图进行计算得到的理论检算值；二是按规范规定的挠度、强度和裂缝容许值。从校验系数、实测值和理论值的关系曲线、相对残余变位（或应力）、结构刚度要求等四个方面来对该桥进行评定。

1-1截面挠度图

3-3截面挠度图

4-4截面挠度图

5-5截面挠度图

图13 试验荷载作用下截面挠度图

表3试验荷载作用下测点相对残余变形表

1-1截面应力图

2-2截面应力图

3-3截面应力图

4-4截面应力图

5-5截面应力图

图14试验荷载作用下腹板应力图

左幅上游侧=1.06MPa，下游侧=1.20MPa。从以上数据可知，实测主拉应力均小于理论值，主体结构抗剪能力满足设计要求。

表4关键截面应力校验系数统计分析表

由于篇幅有限，本文只列出了左幅数据，从以上图13~图14以及表表3~表5数据可知：

(1) 在试验荷载作用下，各控制截面挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数小于1.0，且最大实测挠度远小于L/600，结构刚度满足要求；(2) 在试验荷载作用下，控制截面的关键测点应力值均小于理论值，应力校验系数小于1.0，结构强度满足要求；(3) 支座处箱梁实测最大主拉应力小于计算值，表明主体结构抗裂能力满足设计要求；(4) 在试验荷载作用下，各箱梁测试截面腹板测点应力分布趋势和理论一致，沿高度基本上呈直线关系，说明箱梁腹板截面应力分布在试验荷载作用下处于线弹性状态；(5) 位移测试控制截面量测的相对残余变形均满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》总第3.19.2条规定α1≤0.2，表明卸载之后结构的变形能够及时恢复，结构处于弹性工作状态；

3.2动载试验

测定桥梁模态自振特性参数是桥梁振动试验的基本内容，也是研究桥梁结构的抗震、抗风或抗其它动荷载的性能和能力所必须了解的基本参数。

表6自振特性实测值与理论计算值对比表

10km/h跑车时域波形图

20km/h跑车时域波形图

20km/h刹车时域波形图

20km/h跳车时域波形图

图13激励试验下测点应变时域波形图

表7车辆激励试验结果汇总

（1）由模态试验基频和理论计算值对比可以看出，试验桥跨自振频率的实测值均略大于计算值，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求；

（2）本次试验桥梁一阶频率实测值为2.45Hz，由于自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，因此该特征参数可作为今后检查的一个参考指标；

（3）激励试验过程以不同的车速跑车作用时，没有发现动应变急剧增加并在相当长的一段时间内保持很大数值的现象。

4 结论

荷载试验结果表明：试验桥梁的受力性能和正常使用状态极限承载力满足设计荷载等级公路-I级要求，结构工作状况良好，符合通车条件。

参考文献

张爱民，袁航. 郑州市紫荆山立交金水路高架桥静荷载试验与分析. 河南交通科技,1995（6）

苏龙，肖池，胡章立. 六盘水市白鹤高架桥荷载试验及分析. 公路工程，2010，35（5）

Nazmy A S. Stability and load-carrying capacity of three-dimensional long-span steel arch brideges. Computer and Structure, 1997, 65(6)

Torkamani M A M, Lee H E. Dynamic behavior of steel deck tension-tied arch bridges to seismic excitation, Journal of Bridge Engineering. 2002,7(1)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。