T型连续刚构桥梁荷载试验评定与探讨

摘 要：随着我国经济、科学技术、交通事业的快速发展，桥梁检测技术得到了日益广泛的重视。荷载试验是一种桥梁检测技术的重要手段，在评定现有桥梁的实际承载能力、建立和积累桥梁技术资料、推动和发展旧桥评定理论及新桥设计理论等方面有着重要的意义。文章以新甸公路桥为例，论述了预应力混凝土T型连续刚构桥梁的荷载试验，应用MIDAS CIVIL 2015建立桥梁三维有限元模型，结合静载荷试验测试结果对桥梁的实际承载能力作出评定；通过跑车试验及脉动试验，并建立实桥模型进行模态分析，对桥梁的动力性能作出了判断。
　　关键词：T型连续刚构；荷载试验；有限元模型；承载能力；动力特性
　　1 工程概况
　　新甸公路桥全长为344.0m，全宽为8.0m，跨径组合为5×20m+40m+60m+40m+5×20m，桥面由0.5m护栏+7.0m机动车道+0.5m护栏组成，为双向单车道，桥面材料为混凝土，伸缩缝型式为简易型钢；护栏结构为钢管与钢筋混凝土组合结构。上部结构：主桥为T型挂梁的预应力混凝土T形刚构桥，T型悬臂梁为单箱双室的箱形截面，挂梁为横向分成四片的预应力混凝土T梁，梁内设有曲线的预应力钢绞线；引桥为预应力混凝土空心板。T构悬臂梁、全挂梁、半挂梁及预应力砼空心板均采用C50混凝土。下部结构：主桥桥墩身为箱形断面的钢筋混凝土空心墩；引桥桥墩、桥台采用双桩双柱式、双桩单柱或加盖梁结构；墩承台均采用灌注桩基础。主桥墩墩身及引桥盖梁采用C30混凝土，主桥承台、引桥灌注桩采用C25混凝土。
　　主要技术指标：
　　设计荷载：汽-20级，挂-100，人群荷载3.5kN/m2。（三级公路桥）
　　通航净空：Bm≥55.0m，b=37.0m，h=4.0m，Hm=7.0m。
　　桥面纵坡：主跨跨中设R-1400m，T=51.8m，E=0.9583m的凸形竖曲线，引桥设3.7%的纵坡。
　　桥面横坡：以桥中心线为起点向两侧设1.5%的横坡。
　　2 有限元模型建立及分析
　　根据设计图纸资料，结构计算采用Midas Civil 2015进行有限元建模，有限元模型见图1。
　　3 静载荷试验
　　根据桥梁结构特点及移动荷载作用下的内力和挠度包络图，确定本次试验的控制截面：T构悬臂梁支点截面及全挂梁跨中截面作为测试截面。位置描述及试验内容见表1。
　　3.1 加载工况
　　根据桥梁主桥结构特点及反映桥梁结构的最不利受力状况，本次加载工况选取如下：工况一：纵桥向按T构悬臂梁支点截面I-I最不利负弯矩布载，横桥向偏载；工况二：纵桥向按全挂梁跨中截面II-II截面最不利正弯矩布载，横桥向偏载。
　　3.2 控制内力计算
　　根据Midas Civil 2015程序计算，控制内力计算结果见表2。
　　3.3 试验荷载的确定
　　静载试验荷载是在结构设计内力计算的结果上，来确定加载位置以及在试验荷载作用下结构的内力大小，是一个反复验算的过程。为确保试验效率，试验荷载的确定一般采用静载试验校验系数η进行控制。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）等规范相关的规定，静力试验荷载的效率系数η取值范围为0.95≤η≤1.05。
　　3.4 加载车辆及试验效率
　　静载试验拟采用等效车辆进行加载，车队位置按有限元计算的影响线进行布设，就某一检验项目而言，其相应的加载车辆数量及位置使该检验项目的荷载效率系数η满足：0.95≤η≤1.05。
　　试验配重车辆拟选用总重为300kN的试验车辆4辆，双后轴配重车前后轴距3.5m，两后轴距1.4m，轮距1.8m，单车总重300kN，轴重分配为60kN、120kN、120kN。
　　3.5 静载荷试验结果
　　（1）应变测试结果。表3、4中给出了应变实测值、理论计算值和应力校验系数，同时计算出了各测点的残余应变。
　　（2）挠度测试结果。在各试验工况下的试验车辆加载前、加载中和卸载后，采用多点挠度仪对桥梁挠度进行测量。多点挠度仪设在稳定地点，保证测量结果的一致性。
　　表5中给出了挠度的理论计算值、实测值（单位均为mm）和残余变形，同时还计算了挠度校验系数。为了形象地反映挠度实测值与理论计算值的关系，将绘制出各工况的挠度对比曲线。表中挠度符号规定向下为负、向上为正。
　　（3）静载荷成果分析。从测试结果可以看出：该桥控制截面在加载时，桥梁结构在满载作用下测试截面的挠度（或应变）实测值均小于理论计算值，即其校验系数均小于1.0，说明该桥主桥结构在试验荷载作用下结构刚度和强度能满足设计的要求；在偏载作用下各测点的挠度（或应变）横向分布均匀，说明该桥桥梁结构荷载横向联结构造较可靠；T板各控制测点的相对残余挠度（或应变）均小于规范规定值20%，说明该桥主桥结构处于良好弹性工作状态。
　　（4）裂缝观测。裂缝观测不是静载荷试验中判断桥梁结构受力情况的主要参数。本次裂缝检查方法以人工目测为主，辅以钢尺测量确定裂缝位置坐标（相对参考坐标）和长度，裂缝测宽仪测量裂缝宽度。在静载荷试验过程中，对桥梁的主要部位（指它对桥梁结构的承载能力、变形、节点构造的牢固程度等有直接影响或严重影响的部位）的裂缝情况进行全程追踪观测，其内容包括开裂荷载的确定（即当构件最大拉应力区出现第一条裂缝，或应变测量仪表的读数发生跳跃时的荷载值）和裂缝宽度测定，并绘制裂缝开展图。
　　该桥主桥结构主要部位在各试验工况下的试验过程中和在短期荷载试验荷载后未发现裂缝扩展和新的裂缝产生。
　　4 动载荷试验
　　4.1 动载荷理论
　　桥梁结构动力载荷试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应（加速度、动挠度）等参数的试验项目，从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性能。桥梁结构的动载试验与静载试验虽然试验目的、测试内容等方面有所不同，但对于全面分析掌握桥梁结构的工作性能是等同重要的。动载试验之所以对公路和桥梁设计非常重要，是因为它是影响公路和桥梁使用寿命的主要因素之一。当车辆通过公路桥时，车辆轴载对桥梁的作用随时间变化，即为动载荷。
    4.2 试验方法
　　桥梁动力载荷试验是在桥梁处于振动状态下，利用振动测试仪器对振动系统各种振动量进行测定、记录并加以分析的过程。本次试验采用脉动试验和跑车试验对桥梁结构动力特性进行分析研究。
　　（1）脉动试验。脉动法是利用被测桥梁结构所处环境的微小而不规则的振动来确定桥梁结构的动力特性的方法。桥梁结构的脉动是由附近的地壳的微小破裂和远处地震传来的脉动所产生的，或由附近的车辆、机器的振动引起的，能明显地反映出结构的固有频率，因为结构的脉动是因外界不规则的干扰所引起的，具有各种频率成分，而结构的固有频率是脉动的主要成分，在脉动图上可以较为明显地反映出来。因此利用此特性，在控制测试截面的相关部位安装高灵敏度拾振器，通过智能动态测试分析系统观测脉动荷载作用下的关键点的振动响应，通过建立模型、模态分析可得出桥梁结构的自振频率和阻尼比等动力特性，同时计算其振型。
　　（2）跑车试验。当车辆以一定速度在桥梁上通过时，由于发动机的抖动、桥面的不平顺等原因会导致桥梁结构产生振动，通过对其控制截面动挠度（或动应变）的测试，记录控制截面测点在跑车试验时的动挠度（动应变）时历曲线，对其进行分析处理得出活载冲击系数，进而判断桥梁结构的行车性能和桥面的平整程度。
　　脉动试验测点布置在主桥每5m处布设竖向加速度拾振器，以测量桥梁振动基频和振型；跑车试验是在全挂梁中心位置布设动挠度观测测点，采用一辆300kN的重车分别以车速10km/h 、20km/h和30km/h匀速通过桥跨结构。
　　4.3 理论计算
　　本次试验采用midas civil 2015建立动力模型（见图1），并对主桥进行动力响应计算，最终计算出主桥结构的一阶模态理论振型及频率，如图5所示。
　　4.4 动载荷试验结果
　　（1）脉动试验测试结果。
　　（3）动载荷成果分析。由图6～7及其对应表可看出该桥主桥结构的一阶实测自振频率为3.13Hz，较大于理论计算值2.96Hz，表明主桥结构的实际刚度能满足设计要求；主桥结构实测一阶振型与理论计算振型基本一致，说明该桥桥梁结构工作状态良好；另外通过模态分析计算得出主桥的一阶阻尼比为5.34%，在经验值1.0%～8.0%之间，说明主桥结构耗散外部能量输入的能力相对较强，振动衰减较快。
　　由图8计算可得：主跨结构在重车以10km/h、20km/h、30km/h匀速行驶作用下，最大动挠度为2.744mm，最大冲击系数为0.055，均相对较小，说明该桥桥梁结构的行车性能均较好，桥面的平整程度良好。