城市桥梁动静载试验分析

1.引言

近年来，随着桥梁设计水平和施工技术的提高，很多新材料、特殊结构形式及新工艺应用到桥梁建设上来。但施工过程中存在的管理不到位，使用不合格材料等因素，导致桥梁在建成时就有病害，运营过程中可能出现的超载车辆，使病害进一步加强。因此，为评定桥梁设计成果和施工质量、结构承载能力，保证桥梁通车后能安全运营，需要对刚竣工的桥梁进行承载力检测，即桥梁动、静载实验。

图1 静载试验控制截面布置图

2.工程概况

本文针对武汉市墨水湖北路高架一联3*30米预应力混凝土连续梁进行动、静载检测实验分析。平面位于半径R=400米的圆曲线上，箱梁采用单箱三室截面，梁顶板结构宽26米，梁高2.0米，梁体采用C50 混凝土，箱梁采用纵、横双向预应力体系。断面为双向六车道，设计车速为60km/h，汽车荷载：城-A 级。

图2 A-A、B-B、C-C 断面测点布置图

3.静力荷载试验

3.1 检测内容及断面布置

静载试验内容包括主梁控制截面的应力和挠度，依据《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T 233-2015 中关于桥梁荷载试验的有关规定，结合桥梁受力特点，在满足评定桥梁承载能力的前提下，按最不利效应的原则，本桥静载试验控制断面设置在跨中最大正弯矩处、支点截面最大剪力处，共5 处，如下图1所示。

在上述五个检测断面中，布置5个（A～E）应力检测断面，3个（A～C）挠度检测断面。各检测断面的应变检测点设置在各截面箱梁底板和腹板；剪力检测点布置在主梁中性轴处；挠度检测点布置在截面的桥面板上。各断面的检测点布置如下图2～4所示。

图3 D-D 断面测点布置图

图4 E-E 断面测点布置图

3.2 桥梁结构有限元模型的建立

根据设计图纸，采用有限元软件Midas建立空间有限元模型，并进行静、动力计算和分析，分别计算试验车辆作用下，各种静力工况下结构的内力、位移等参数，以便与实测数据进行对比。

图5 桥梁结构有限元模型

3.3 静力试验加载及加载工况

静力试验荷载既要保证结构的安全性，又能暴露出结构的承载能力。根据桥梁相关检测规范规定，静载试验的荷载效率系数为：0.95 ＜ηq ＜1.05。按照控制内力或变位等效原则，确定本次静力试验工况及荷载。本次试验荷载采用单车总重40吨，前轴轴重约为8吨，后轴轴重约为32吨，前轴距L1 为3.8m，后轴距L2 为1.4m 的六辆试验车辆。

因本桥平面处于圆曲线上，加载方式包含中载和偏载两种加载工况。荷载按三级加载，加载完成后，按两级卸载。各试验工况和荷载效率如表1所示：

表1 静载试验各工况及荷载效率系数

表2 不同工况下各截面最大应变统计表 单位：µε

表3 不同工况下各截面最大竖向挠度结果统计表 单位：mm

3.4 静载结果及分析

各工况满载作用下，各截面实测最大应变和根据空间有限元模型理论计算值如表2所示：

各工况满载作用下，各截面实测最大竖向挠度和根据空间有限元模型理论计算值如表3所示：

由上述两表可以看出，结构在各静载试验工况下，实测最大应变为理论应变的0.73倍，实测最大挠度为理论挠度的0.79倍，校验系数均小于1.0，实际承载能力满足设计要求。挠度实测值均小于理论计算值，最大挠跨比为1/8219，远小于规范允许的1/600，结构刚度满足设计要求。

4.动力检测布置

桥梁动载实验主要包括结构自振特性实验和行车动力响应实验。检测参数包括：自振频率、阻尼比、冲击系数、动应变、动挠度等。通过桥梁结构实测动力参数与理论计算参数的比较，从而判断结构整体刚度是否满足设计要求。

4.1 结构动力分析及工况

4.1.1 根据已建立的空间有限元模型，进行桥梁结构动力响应分析，得到其振型、自振频率和阻尼等参数。

4.1.2 自振特性实验工况

桥梁结构在桥面无交通荷载及稳定振源，主要由风荷载、地脉动等随机激励下引起微幅振动响应，产生的信号采用高灵敏压电加速度计采集，由动态信号采集分析仪进行信号处理得到结构实测自振频率和阻尼比。

4.1.3 行车动力响应参数试验工况

（1）跑车试验：用一辆载重40吨的实验车辆分别以20、30、40km/h 车速沿桥梁中心线附近匀速驶过桥梁，测试结构的动力响应。

（2）跳车试验：在跨中截面布置障碍物（宽30cm，高7cm），用一辆载重40吨的实验车辆以20km/h 车速，匀速驶过障碍物进行跳车实验，测试结构的动力响应。

（3）制动试验：用一辆载重40吨的实验车辆以20km/h 车速沿桥梁中心线附近匀速行驶，在实验截面位置紧急刹车，激发桥梁的水平振动，测试结构的动力响应。

以上工况下产生的信号采用高灵敏压电加速度计采集，进行信号处理得到结构动力响应。

4.2 动载试验结果、分析

4.2.1 振动特性实验结果

通过对桥梁结构理论分析和脉动测试信号分析，得到桥梁一阶自振频率、阻尼比和实测值。

由表4数据可以看出，桥梁基频实测值为4.79Hz，大于理论计算值4.40Hz，结构刚度满足设计要求。

表4 振动频率表 单位：Hz

表5 检测截面跑车实验冲击系数实测值

表6 有障碍行车实验检测结果

表7 制动实验检测结果

4.2.2 无障碍跑车试验

通过测试桥梁结构在行车过程中动挠度来计算结构的实际冲击系数，各实验跨实测冲击系数如表5所示：

冲击系数是反应桥梁在运营阶段工作状况的一个重要指标，它与桥梁的线型、桥面平整度都存在直接关系。从表5可以看出，桥梁结构在车速为40km/h 时冲击系数最大，实测冲击系数（1+µ）在1.02～1.07之间，均小于理论计算值1.25，满足规范要求。

4.2.3 有障碍行车实验

在检测跨中截面布置障碍物（宽30cm，高7cm），用一辆加载车以20km/h 车速，匀速行驶过障碍物进行跳车试验，测试结构的动力响应，测得的动挠度如表6所示：

由表6数据可以看出，桥梁结构反应平稳，最大动挠度及冲击系数都满足规范要求。

4.2.4 制动实验

用一辆加载车以30km/h 车速匀速行驶至实验跨截面处立即刹车至停止，测得的动挠度结果如表7所示：

由表7数据可以看出，桥梁结构反应平稳，最大动挠度及冲击系数都满足规范要求，结构动力性能较好。

5.结论

通过对本桥进行不同工况下的静、动载实验，及对检测数据进行整理分析表明，该桥工作性能较好，承载能力达到设计要求。