五跨连续刚构桥承载力评定

王月华，丁汉飞

由于各种车辆特别是重型车的迅速增多，导致桥梁在运营过程中的负荷日益加重，不可避免地会产生结构损伤，使其承载力降低，因此，为切实了解新建桥梁的承载力性能和建成后的使用状态，需要对桥梁进行试验研究，根据设计荷载的要求制定试验方案，测定桥梁在试验荷载作用下的实际工作性能和承载力，进而评价桥梁的施工质量。

1 工程概况

浙江某城市刚构桥采用纵向布置为双幅35m＋52m×3＋35m的五跨连续结构，两侧引桥采用2×20m连续梁；横向采用东、西分离式两箱四室结构的箱梁横断面形式，箱梁顶宽22.1m，底宽2×7.5m，翼缘宽1.5m。梁高沿跨径按圆曲线变化，跨中及端支点处梁高1.3m，高跨比为1/40，主梁与V型墩相接处梁高2.4m，高跨比为1/21.7。箱梁采用纵向预应力体系，在在V墩纵向南北各7m范围内的边腹板及中腹板处布置竖向预应力筋。主桥上部、V墩采用C55砼，引桥箱梁采用C50、承台采用C30砼，桥墩采用C30砼，主桥钻孔灌注桩采用C35水下砼，引桥钻孔灌注桩采用C25水下砼。该桥荷载等级为城-A级。

2 静载试验

2.1 测试截面的确定和测点布置

静载试验的目的主要是测定桥跨结构的静应变、静挠度等静力效应。

确定应变测试截面的原则是将桥跨结构在设计荷载下内力最不利的截面作为测试截面。因此，按照桥梁资料和参考文献[1]中有关规定，对该桥的整体结构进行了分析计算，使用桥梁专用程序MIDAS分别绘出了桥梁的有限元分析模型和结构内力包络图如图1-4所示，由包络图即可确定桥跨结构在活载作用下最不利弯矩的具体位置[2,3]。

根据结构受力特点并结合外观检测结果，本桥选取西幅桥进行承载力试验，经分析确定内力最不利测试工况及其对应的各试验检测控制截面位置和控制内力见表1和图5。

为了分析主梁在试验荷载下的混凝土应变和挠度状况，在截面1-1处和2-2处横桥向各设置6个应变测点和6个挠度测试点，测取试验荷载产生最大响应处的挠度与应变，测试截面位置及测试内容见表2，测试截面位置及测点位置布置见图5、图6。

表1 控制截面位置及控制内力

表2 测试截面位置及测试内容

2.2 试验工况

本试验采用八辆加载车并取其平均车重作为试验荷载进行计算分析，即前轴重56.9KN，中轴重 122.1KN，后轴重 122.8KN，车总重为301.8KN。与测试内容相对应，在此试验荷载作用下，确定测试工况与工况布载。见图7-11。

2.3 试验效率验算

根据参考文献[4,5]的建议与要求，静载试验效率ηq=Ssat/(S×δ)，其取值范围为1.05≥η≥0.8。式中Ssat表示试验荷载作用下检验部位变位或力的计算值；S表示设计标准活荷载作用下检验部位变位或力的计算值；δ表示动力系数。根据参考文献[1]的规定，标准荷载效应三车道横向折减系数为0.8，四车道横向折减系数为0.67。按照本桥梁设计荷载等级，分别计算标准荷载效应和试验车辆荷载作用下的荷载效应（控制截面最不利弯矩），由此得到各工况下的静载试验效率，具体计算结果见表3。

表3 各试验工况静载试验效率

2.4 挠度、应变计算值及试验值对比

通过静载试验，可得到各加载工况下各测点的挠度计算值、实测值及其对比值，以及各工况下各测点的应变计算值、实测值及其对比值，从而得到各工况下控制截面校验系数最大值、最小值和平均值。现以工况I下挠度值和为例，如表4所示。

表4 工况Ⅰ下桥跨结构挠度理论值和实测值

3 动载试验

3.1 试验内容

本试验采用静载试验车作为动载试验荷载，应用加速度传感器、动态位移计、信号分析仪、动态电阻应变仪配以分析软件等主要测试仪器，测试试验车分别以20、30、40、50km/h的速度匀速通过主桥产生的振动以及试验车分别以20、30、40、50km/h的速度行驶至主桥测试位置进行制动产生的振动，从而分别测取其动力性能。通过测取加速度和动应变，分析其频率、阻尼比及最大动挠度、动应变，求出桥梁的冲击系数。

3.2 试验过程

首先实施测点打底找平，粘贴应变计，安装机电位移计，连接导线及联机调试等项准备工作，并进行预加载以检验各测点应变计，位移计及采集记录仪器工作的可靠性，经检验无误后，再进行正式加载试验。

试验中为了尽可能地减少混凝土变形滞后的影响，采取了如下措施：荷载到位后关闭汽车发动机，持续5分钟以上，待数据完全稳定后记录；每种工况均加载测试两次；每次卸载后至下一次加载的间隔时间均不少于5分钟。

静载试验完成后进行动载试验，每种跑车试验做两次，各次试验间隔时间不少于5分钟，以便结构恢复弹性变形，保证测试结果的可靠性。

4 试验结果与分析

静载试验的结果包括挠度及应变，通过试验测得的各加载工况下各测点的挠度计算值、实测值及其对比值，以及各工况下各测点的应变计算值、实测值及其对比值，从而得到各工况下控制截面校验系数最大值、最小值和平均值，如表5所示。

表5 各加载工况校验系数

结构自振特性包括自由振动时结构的频率及振型等，它反应了结构自身动力特性，是进行动力分析的基础。自振特性的基本分析手段是分离变量法，即把时间变量与结构坐标变量分离后，利用特征方程具有非零解的条件，即系数行列式为零：Det(K－λM)=0。解此关于λ的n次实系数特征方程，即可得到结构自振频率及相应振型。建立桥梁整体计算模型，采用子空间迭代法进行数值分析计算，得到桥跨结构各阶自振频率和振型图。本桥一阶阵型见图12。

通过实施20、30、40、50km/h的速度下跑车激振试验和制动试验可得到桥跨结构的加速度时程曲线、不同跑车速度下制动时的动应变时程曲线以及不同跑车速度下的动应变时程曲线，以40km/h时速的曲线为例，如图13-15所示。

对结构加速度时程曲线进行频谱分析得到幅频特性曲线，结构实测一阶频率f1=2.93Hz，如图16所示。由次边跨跨中截面行车速度与冲击系数关系曲线，得到桥跨结构的最大冲击系数为0.042，如图17所示。

5 承载力评定

根据参考文献[5]中关于荷载试验成果分析与评定的要求，评定结果分析如下：(1)静载试验效率评定结果如表6所示。（2）静载试验挠度、应变结果评定如表7、表8所示。（3）动载试验结果评定如表9所示。

表6 静载试验效率(ηq)评定结果

表7 桥跨结构挠度评定结果

表8 桥跨结构应变评定结果

表9 自振频率与冲击系数评定结果

6 结语

（1） 通过静载试验效率、挠度、应变的分析与评定，可以判定该桥具有足够的刚度与强度，承载能力满足设计荷载的要求。根据自振频率、冲击系数的评定结果，可以判定该桥具有足够的桥动刚度和抗冲击能力，满足设计的要求。试验结果表明，该桥在设计活载作用下，结构处于弹性工作状态，施工质量符合设计要求。

（2）由于施工、试验的实际情况与理论之间存在着差异，即实际施工结构与理论设计结构的差异、试验荷载与标准荷载之间的差异、试验加载与理论加载过程的不完全相同等，都会造成试验结果与理论计算结果之间存在着一定的差异。该新建桥梁的施工和试验结果可以表明，施工人员对施工质量的重视程度，会直接影响结构承载力的评定结果。因此，工程施工一定要把好质量关。

（3）该桥采用了分离式两箱四室的横断面结构形式，每幅的翼板连接属于弱连接,由于扭转作用对连续刚构桥影响较大，为了更好的了解扭转对连续刚构桥承载力的影响，还可以对该桥的扭转做进一步的分析研究[6]。

[1]GJJ77-98,城市桥梁设计荷载标准[M].北京:人民交通出版社,1998﹒

[2]戴公连.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]叶见署.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2010.

[4]交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法[M].北京:人民交通出版社,1982.

[5]交通部第二公路勘察设计院.公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)[M].北京:人民交通出版社,1988.

[6]陈从春,丁文胜.弱连接的双箱四室连续箱梁桥的力学特性与试验研究[J].公路,2011,(12):51-53.