某跨线桥荷载试验研究

时间：2024-07-28

张蕾，纪云涛，成正清，贾银钧

(1.西南交通大学土木工程学院桥梁工程系，四川成都 610031；2.云南省公路科学技术研究院，云南昆明 650000)

近年来城市交通快速发展，公路与铁路线路立体交叉的情况越来越多，跨线桥的应用逐渐增多，跨线桥质量优劣直接影响路网的通畅性[1]。桥梁承载能力满足要求是桥梁安全的重要保障，尽管目前桥梁结构设计及分析理论已日趋成熟，但现场荷载试验仍可能是帮助确保桥梁未来安全性能的最佳方法[2]，也是检验桥梁承载能力最有效最直接的方法。

桥梁荷载试验利用荷载作用引起桥梁结构的变位和振动从而测试桥梁结构指定部位的应力、应变、位移及加速度等各项性能数据，是一种无损桥梁检测方法[3]。通过桥梁荷载试验，可以了解桥跨主体结构在试验荷载作用下的实际受力状态和工作状态，评价桥梁在设计使用荷载下的结构性能[4]，判断成桥是否能投入正常运营[5]，桥梁荷载试验还可以为日后的安全运营和维修加固提供科学依据，为同类型桥的设计、施工积累可靠技术资料[6]。

本文以改建铁路贵昆线上某跨线桥为例，分别进行静载试验和动载试验，确定该桥实际工作状况和承载能力，对其安全性能进行综合评估。

1 工程概况

该跨线桥为3跨空心板简支梁桥，跨径布置为(20 m+30 m+20 m)，设计荷载为公路I级。桥梁按分幅设计，单幅桥面宽11.75 m，全桥总宽24 m。单幅每跨有7片预应力混凝土空心板梁，其中30 m跨径的梁高1.3 m，20 m跨径的梁高为0.9 m。桥梁总体布置图如图1所示。

图1 桥跨结构布置(单位：m)

2 荷载试验方案及理论模型

2.1 静载试验

静载试验是通过施加试验荷载，检验结构主要受力构件在最大内力状态下的应变和变形，以判断该桥梁结构力学性能是否满足设计要求[7]。加载位置一般选取结构的关键截面(内力极值截面)，并且需要按照内力等效的原则确定试验荷载的大小和加载位置，使试验荷载作用下结构内力与设计荷载作用下的结构内力相等或接近，同时确保各个试验工况下结构处于安全状态。

2.1.1 试验荷载

目前常用的加载的方式有车辆荷载加载、重物加载、专用加力架加载三种。本次静力试验采用车辆荷载加载的方式，车辆荷载加载具有便于运输、加载卸载方便迅速等优点，但需注意加载车辆严格称重，保证误差不超过5 %[8]。

本次静力试验荷载采用320 kN级三轴载重汽车，按分级加载工况，共需4辆载重汽车。

2.1.2 试验测试内容及方法

该跨线桥属于静定结构，受力明确，故选择左右两幅每跨跨中截面作为最不利状态下的控制截面，控制截面共6个，位置见图1。取控制截面最大弯矩作为试验加载截面的控制值，该控制截面同为应变测试截面及变形测试截面。

该跨线桥共设30个应变测点和18个变形测点，每个测试截面布置5个应变测点和3个变形测点。采用静态应变片及静态信号测试系统DH3821测试应变，用百分表测试变形。以第一跨左幅A-A控制截面为例，应变测点(A-11～A-15)及变形测点(A-21～A-23)布置如图2所示，其余5个控制截面测点布置位置与此截面相同。

图2 第一跨左幅A-A控制截面测点布置(单位：m)

2.1.3 荷载工况

在已确定的6个控制截面上，根据分级加载的原则，每个控制截面确定2个分级加载工况，共12个分级加载工况。一级加载车辆①和②，二级加载车辆①、②、③和④，加载车辆车位布置图如图3所示，现场试验照片如图4所示。相应的卸载工况按反方向进行，加载实行逐级加载，逐级卸载，后加载车辆先卸载的原则，直至全部卸载完毕。

图3 二级加载车辆布置示意

图4 现场试验照片

2.2 动载试验

桥梁结构的自振特性(各阶振动频率、对应的振型、阻尼比等)是桥梁的一种固有特性，与桥梁的跨径、结构形式、建桥材料等有关[9]。本次桥梁结构的自振特性通过脉动试验获得。脉动试验速度振动测试测点布置在桥面上，测试桥面每个测点的振动速度时程。在每试验跨桥面左右护栏内边线L/10、3L/10、L/2、7L/10、9L/10位置处布设速度传感器，测试桥梁自由振动的速度时程。

2.3 理论模型

利用MIDAS Civil专业桥梁结构计算分析软件，建立桥梁空间两单元静动力计算模型。按照相关桥梁设计规范规定，考虑桥梁实际运营荷载情况，对桥梁设计规范中各项指标进行核算，计算结果与试验结果进行校核。有限元理论计算的内容包括：

(1)计算试验荷载作用下的荷载效率系数(试验内力/设计内力)。

(2)计算试验荷载作用下各测试量的大小，包括应力(应变)、位移。

(3)结构动力计算，包括桥梁结构前5阶自振频率、振型。

3 荷载试验结果分析

3.1 静载试验结果分析

3.1.1 静载试验荷载效率系数

就某一检验项目而言，所需车辆荷载的数量根据设计控制荷载产生的该检验项目(内力和位移等)的最不利效应值，以满足下式所定原则等效换算而得：

0.95≤η=Sstate/[(1+μ)S]≤1.05

(1)

式中：η为静力试验荷载效率；Sstate为试验荷载作用下检验项目计算效应值；S为设计控制荷载作用下检验项目的最不利计算效应值；μ为规范采用的冲击系数。

根据标准活载与试验加载的6个控制截面的计算结果，得到弯矩荷载效率系数如图5所示。从图中可以看出，静载试验荷载效率系数均在0.95～1.05范围内，满足相关规范[11]要求。

图5 各控制截面弯矩荷载效率系数

3.1.2 应力

通过静载试验得到的应变，按照应力与应变的关系式计算结构的应力状态(法向应力方向)。二级加载工况下，各测点正应力实测值、计算值以及卸载后的残余应力值如图6所示，应力校验系数如图7所示，相对残余应力如图8所示。经数据处理，图中实测值为总应力值与残余应力值的差值。

图6 应力测试结果与计算值对比

图7 应力校验系数

图8 相对残余应力

由图中测试结果可以看出，同一控制截面正应力实测值较为接近，同跨左右幅正应力实测值分布情况相似，且均小于计算值，最大相对残余应力为10.29 %，实测残余应力较小，表明该桥处于弹性工作状态，主梁截面强度满足设计要求。应力校验系数(实测值/计算值)介于0.72～0.79之间，未超过规范规定1.0，表明该跨线桥实际工作状况良好，具有一定的安全储备。

3.1.3 挠度

在二级加载作用下，经支座沉降和温度修正后，各测点的挠度测试结果及卸载后残余变形值与计算值对比如图9所示。各测点变形校验系数(实测值/计算值)如图10所示，相对残余变形如图11所示。

图9 挠度测试结果与计算值对比

图10 变形校验系数

图11 相对残余变形

从图中可以看出，各跨主梁实测挠度平滑连续，且均远小于规范中的最大容许值计算跨径的1/600，挠度实测值均小于计算值，变形校验系数在0.51～0.78之间，均未超出规范规定1.0，表明结构整体刚度较好。各工况卸载后，相对残余变形最大值为8.73 %，均未超出规范限值20 %，表明桥梁在试验荷载下处于弹性工作状态，无较大的不可恢复变形，截面强度满足设计要求。

3.2 动载试验结果分析

跨径20 m简支梁固有频率计算值为3.492 Hz，跨径30 m简支梁固有频率计算值为3.357 Hz。该跨线桥固有频率测试值如表1所示，各桥跨固有频率实测值均大于计算值，说明该桥整体刚度稍大于设计值，满足设计要求。经数据分析处理，各试验跨测试振型与理论计算振型分布相似，以左幅第一跨为例，第一阶阵型分布图见图12。该跨线桥动力测试结果显示测试模态与理论模态基本吻合，表明该结构动力特性基本满足规范要求。

表1 第一阶固有频率、阻尼测试值

图12 左幅第一跨第一阶竖向振型(跨径20 m)