成桥静荷载试验及分析

成桥静动荷载试验及分析
摘要：对某桥进行了成桥的静动荷载试验及分析，测得各种力学性能指标，与理论计算结果进行比较，并按规范对桥梁结构的承载能力做出了评价，确保桥梁的主体结构处于良好的使用状态，保证桥梁投入使用后的运营安全。

关键词：静荷载试验；动荷载试验；力学性能
1 工程概况
某特大桥为一座全长1550m的简支小箱梁桥，采用桥面连续的铺装形式，单孔跨径25m，共62孔。

该桥上部结构横断面由4片小箱梁组成，梁高1.35m，梁宽2.5m，采用C50混凝土。

桥宽13.5m，桥面布置为0.75m（防撞墙）+12.0m（行车道）+0.75m（防撞墙）。

该桥设计荷载等级为：汽车—超20级，挂车—120。

2 静荷载试验
桥梁结构静荷载试验的目的，主要是测试桥梁结构在与设计荷载或使用荷载相当的试验荷载作用下的变形和内力状况，将测试结果与结构按相应荷载作用下的计算值与相关规定值做比较，从而判定结构的强度和刚度等力学性能，判断桥梁结构承载能力是否满足设计要求。

2.1 静荷载试验工况及测点布置
2.1.1 静荷载试验工况
静荷载试验首先要确定加载位置，即确定试验的加载工况。

根据该桥的实际跨径布置，并对其进行理论计算，以跨中截面作为受力最不利截面，选取跨中截面作为试验的关键加载位置，同时确定静荷载试验的2个工况。

工况1：按跨中截面正弯矩最不利进行横桥向偏心加载。

工况2：按跨中截面正弯矩最不利进行横桥向对称加载。

同时各工况的试验荷载效率必须满足规范要求，由《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988）规定，静荷载试验效率为：
)
1(μη+⋅=
S S s
q
式中：s S ——静载试验荷载作用下控制截面内力计算值；
S ——控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值；
μ——按规范规定的冲击系数。

静荷载试验效率q η采用0.8～1.05。

按照该桥设计荷载汽—超20，挂—120标准，采用了6辆30吨车加载。

实际加载效率如表1所示。

表1 各加载工况试验效率
工况数 控制截面 内力形式 单位 设计荷载 试验加载 试验效率 工况1 4#梁跨中截面 弯矩 kN·m 1980 1631.51 0.82 工况2
3#梁跨中截面
弯矩
kN·m
1540
1515.53
0.98
根据等效荷载效应的原则确定试验荷载。

根据理论计算分析，以设计荷载效应控制，按桥梁关键截面的内力影响线进行最不利加载，并保证达到规范[1]规定的荷载试验效率，以确定实际加载车辆的数目，确保荷载试验的效果。

最终，选取6辆3轴车作为加载车，每辆车总重各为300kN ，前轴重60kN ，两个后轴各重120kN ，6辆车的编号分别为1#、2#……6#。

各辆车的几何参数和各工况的荷载布置情况如图1、图2所示。

60kN
120kN
120kN 120kN 120kN 60kN
1#墩
0#墩
140340
4501402454
340L/2
图1 跨中加载汽车纵向布置图（单位：cm ）
180
50
130
180
130
180
350
1
2341350
图2 偏心布载汽车荷载横向布置图（单位：cm ）
4321
1350
200
180
130
180
130
200
180
图3 对称布载汽车荷载横向布置图（单位：cm ）
2.1.2测点布置
各梁的挠度及应力测点如图4、图5所示。

静荷载试验在满载情况下，工况1、2实测的挠度以及理论计算的挠度如表1所示，相应的挠度曲线分别如图6、图7所示。

91011128765123L/2
1#墩
0#墩
4#梁3#梁2#梁1#梁
4 4321
1#梁
2#梁3#梁4#梁0#墩
1#墩
L/2
图4 挠度测点布置图 图5 应力测点布置图
在试验进行加载之前，为了检查所有的试验装置和测试装置是否正常运转，为了使桥梁结构能够处于正常的工作状态，需要对桥梁进行预加载。

2.3 静荷载试验结果
在各项准备工作完成之后，即可正式进行桥梁的静荷载试验。

在每一个工况的加载过程中，施行分级加载。

每一个试验工况加载过程中，需要对控制截面的各项力学性能指标进行测试，这些指标主要包括主梁的挠度、应力等。

在加载过程中需要对加载孔跨的梁体外观进行观测，查看是否有裂缝出现。

在静荷载试验中，满载情况下的实测结果见表2、表3、图6、图7。

表2 工况1、2作用下各梁挠度检测结果
梁号 总变位 (mm) 弹性变位 (mm) 理论弹性变位
(mm) 校验系数 残余变位 (mm) 相对残余变位
(%) 工况1 偏心 加载 1 3.40 3.35 7.04 0.48 0.05 1.47 2 4.50 4.47 8.04 0.56 0.03 0.67 3 5.21 5.11 8.99 0.57 0.1 1.92 4 5.6 5.52 9.33 0.59 0.08 1.43 工况2 对称
1 4.10 4.08 8.33 0.49 0.0
2 0.49 2
4.93
4.89
8.91
0.55
0.04
0.81
加载 3 5.00 4.92 8.91 0.55 0.08 1.6 4
4.78
4.73
8.33
0.57
0.05
1.05
偏心荷载作用下挠度曲线
-10.00
-9.00-8.00-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.001
2
3
4
梁号
挠度值
试验荷载实测挠度试验荷载理论挠度
对称荷载作用下挠度曲线
-10.00
-9.00-8.00-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.001
2
3
4
梁号
挠度值
试验荷载实测挠度试验荷载理论挠度
图6 偏心荷载作用下的挠度曲线 图7 对称荷载作用下的挠度曲线
表3 工况1、2作用下各梁应力检测结果
工况
测点号 总应变（με） 弹性应变(με) 弹性应力(MPa') 理论弹性应力
(MPa) 校验系数 残余应变(με) 相对残余应变
(%) 工况1偏心加载
1 78 78 2.69 3.57 0.75 0 0.00
2 84 8
3 2.86 4.06 0.71 1 1.19 3 95 9
4 3.24 4.5
5 0.71 1 1.05 4 105 105 3.62 4.73 0.77 0 0.00 工况2对称加载
1 80 80 2.76 4.10 0.67 0 0.00
2 99 99 3.42 4.38 0.78 0 0.00
3 99 98 3.38 4.38 0.77 1 1.01 4
84
83
2.86
4.10
0.7
1
1.19
经现场观测，在试验加载过程中，小箱梁梁底及腹板没有出现裂缝。

由表2、表3数据分析可以得出：在试验荷载作用下，挠度和应力的校验系数及其对应的相对残余变位和相对残余应变均满足规范要求，表明该桥承载能力满足设计要求。

3 动荷载试验
桥梁检测动荷载试验是动力测定评价方法的基本测试项目，是为了满足工程应用的需要，应用理论分析与试验测试相结合的科学方法解决桥梁振动问题的必要手段，是桥梁检测工作中的重要环节，其对桥梁使用状况和承载力的评价提供了重要的数据参数。

桥梁检测中动荷载试验的内容主要是结构动力特性和动载响应的试验与分析，测量的主要部位是结构动力效应最大的构件，以及动应力及动变形的控制截面等。

动荷载试验是为了测定桥梁结构的自振特性或在动力荷载作用下的受迫振动特性。

其试验项目主要
包括脉动试验、行车试验、跳车激振试验。

3.1 自振特性测试
自振特性的测试采用脉动法，通过对拾振器拾取的响应信号进行谱分析，确定桥梁的自振频率。

分析所得结构自振频谱图见图8。

图8 自振频谱图
3.2 动荷载响应测试
动荷载响应测试的主要目的是模拟在各种行车条件下，桥梁的动应力响应以及实测桥梁的冲击系数。

本次试验主要进行了跑车试验，采用近于检算荷载（标准荷载）重车的单辆载重汽车来充当试验荷载。

试验时，单辆载重汽车以40km/h的速度匀速通过桥跨结构，测定桥跨结构主要控制截面测点的动挠度时间历程响应曲线，见图9。

图9 匀速40km/h跑车跨中动挠度曲线
由图8、图9分析得出：该桥上部小箱梁的一阶自振频率为3.05Hz，二阶自振频率为5.63Hz；在车速为40km/h时的动力系数为1.11。

4 结论
⑴静荷载试验表明，在试验荷载作用下，该桥承载能力满足设计要求。

⑵动荷载试验表明，在试验荷载作用下，该桥上部结构小箱梁的一阶自振频率为3.05Hz，二阶自振频率为5.63Hz；车速为40km/h时的动力系数为1.11。

参考文献
[1] 交通部第二公路勘察设计院公路旧桥承载能力鉴定方法人民交通出版社，1988年
[2] 交通部公路科学研究所等大跨径混凝土桥梁的试验方法人民交通出版社，1982年
[3] 公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2004）
[4] 公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62—2004））。