基于现场试验的大跨连续梁桥静动力性能

王浩，孙强

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130021）

0 引言

桥梁结构现场荷载试验是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段，是反映桥梁结构承载能力最直接有效的方法[1-2]。通过现场加载试验并对试验实测数据进行综合分析，检验桥梁结构的设计与施工质量，确定工程的可靠性，为交竣工验收与质量评定提供技术依据。通过静力荷载试验获得桥梁结构的实际工作状态，评价其在设计荷载作用下的静力受力性能；通过动力荷载试验获得桥梁结构的动力特性等参数，验证桥梁结构的动力特性是否正常[3-4]。其中，静力荷载试验主要是依据桥梁结构相关技术资料，确定结构材料特性和截面几何特性参数，利用有限元分析软件建立结构模型，根据桥梁结构受力及构造特点，选取具有代表性桥跨作为试验跨，进行应力（应变）、挠度等测试。动力荷载试验主要是考察桥梁结构固有的自振特性和结构抵抗汽车动力荷载受迫振动的能力。

1 工程概况

桥梁上部结构为（65+100+65）m变截面预应力混凝土连续箱梁（图1），三向预应力体系，单箱单室断面，采用挂篮悬浇施工。箱梁顶板宽14.25 m，底板宽7.25 m，两侧悬臂翼缘板宽3.50 m，箱梁顶板设置2%的单向横坡。箱梁根部梁高5.80 m，跨中及边跨现浇段梁高2.50 m，其余梁段箱梁高按二次抛物线变化。箱梁腹板厚40 cm，顶板厚28 cm，在0号块设置2.50 m厚横隔梁。箱梁底板厚度变化采用二次抛物线，由箱梁根部80 cm渐变至跨中28 cm。下部结构主墩为薄壁墩，边墩为带盖梁的空心薄壁墩，钻孔灌注桩基础。桥面铺装为10 cm厚沥青混凝土。

主要技术标准：

1）桥梁宽度：2×14.25 m（含1.75 m宽人行道）；

2）设计荷载：公路-I级，人群3.5 kN/m2；

3）混凝土强度等级：箱梁C50，墩身及盖梁C30，承台及桩基C25；

4）设计为单幅两车道，设计偏载系数为1.15，动力系数为1.05。

图1 桥型布置图（cm）Fig.1 General arrangement of bridge(cm)

2 静力性能测试

2.1 现场静载试验方案

根据JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》要求[5]，桥梁的静力荷载试验按照荷载效率η（对于成桥荷载试验，0.85≤η＜1.05）来确定现场试验加载的荷载。采用桥梁专用有限元软件建立空间有限元模型，模型尺寸按照桥梁结构实际尺寸模拟，模型共划分为245个节点和236个空间梁单元，采用该模型进行试验荷载内力、试验荷载反应和自振特性的分析计算。

根据内力包络图及桥型特点，选取图1所示的3个截面（A-A中跨跨中最大正弯矩截面、B-B墩顶附近最大负弯矩截面、C-C边跨最大正弯矩截面）作为此次荷载试验的控制截面。采用汽车加载来等效设计荷载，同时为节约试验耗时，需要对加载工况尽量进行优化[6]。经计算，需要10台重约350 kN的三轴重车通过2次加载即可满足要求。本次试验的具体工况与相应荷载效率及试验内容见表1。

表1 试验工况、加载效率与试验内容Table 1 Test conditions,load efficiency and test contents

2.2 挠度测试

桥梁挠度观测点布置在桥面，挠度测点共28个，编号分别为Z1～Z14，Y1～Y14，具体布置情况如图2所示。挠度采用瑞士徕卡DNA03高精度电子水准仪进行测量。

图2 桥面挠度测点布置图（cm）Fig.2 Layout of bridge deck deflection measurement points(cm)

工况1与2满载时，试验桥跨的实测弹性挠度与相应理论计算挠度曲线如图3所示，图3中挠度向下为正且均已对支座沉降进行了修正；跨中挠度测点实测值与理论值的η-f（加载效率-挠度）关系曲线如图4所示。

图3 试验荷载作用下的挠度变化曲线Fig.3 Deflection curve under test load

由图3与图4可得出，实测挠度曲线与理论计算挠度曲线的变化规律一致，且均小于理论值，说明结构的实际刚度要优于设计；试验桥跨的实测挠度随现场荷载的增加呈线性变化，表明结构处于弹性工作范围。

图4 试验荷载作用下跨中挠度测点η-f关系曲线Fig.4 η-f curve of midspan deflection measurement points under test load

2.3 应变测试

应变测试断面选在A-A、B-B、C-C（如图1所示）截面底面和侧面布置，各截面均布置12个应变测点，合计共36个测点。应变采用江苏东华DH3819无线静态应变测试系统配以BX120-80AA混凝土应变片进行测量。各工况满载时，试验桥跨控制截面测点实测弹性应变沿梁高的分布情况见图5。

图5 控制截面应变分布图（με）Fig.5 Strain distribution of control section(με)

由图5中可以看出，试验桥跨的实测应变沿梁高呈线性变化[7-8]，A-A、B-B、C-C控制截面实测数据拟和的中性轴至梁底的距离分别为159.1 cm、325.7 cm、170.8 cm，与其理论计算的中性轴至梁底的距离160.2 cm、325.3 cm、170.3 cm基本一致，说明结构实际受力状况良好，与设计理论吻合很好，达到设计目的。

2.4 静力性能评价

各加载工况下，桥面主要测点的挠度与控制截面的应变实测值与理论值见表2，表2中应变为控制截面梁底面测点的平均应变值，挠度为该控制截面处桥面的挠度值。

从表2中可得出，试验桥跨的3个控制截面的挠度与梁底面应变的校验系数在0.69～0.81之间，满足《公路桥梁荷载试验规程》的要求，表明结构设计合理，结构的实际强度与刚度满足设计荷载要求，且有一定的安全储备；本次试验卸载后的残余值均较小，挠度与应变的相对残余为0.2%～9%，最大值为9%发生在B-B控制截面（墩顶附近截面）的梁底应变，远小于《公路桥梁荷载试验规程》要求的20%，表明桥梁处于弹性工作状态；试验桥跨满载时控制截面的挠度最大实测值分别为28.64 mm（中跨截面）、15.02 mm（边跨截面）均小于JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求的[f]≤l/600=166.67 mm（中跨）、108.33 mm（边跨）允许挠度，表明结构的刚度与强度满足设计与使用要求，桥梁结构整体静力性能良好，承载能力满足要求。

3 动力性能测试

3.1 现场动载试验方案

采用环境激励法（地脉动）与强迫振动法（无障碍匀速跑车、有障碍跳车试验）等方法对桥梁结构进行动力荷载试验，采用北京东方所INV3062T0动态信号采集和分析系统配以941B型超低频无源伺服拾振器测试桥梁的自振频率与阻尼比、动力增大系数（冲击系数）等动力性能参数，以评价桥梁结构实际动力性能。

加速度传感器（用于测试梁的自振频率与阻尼比）及动挠度（用于测试桥梁的动力增大系数）测点布置如图6所示。其中，D1～D9为垂直拾振器，布置在各跨的跨中与四分点，动挠度测点布置在中跨跨中箱梁梁体的左侧面，弓形障碍物（用于跳车试验）布置在中跨跨中的桥面上。

图6 桥梁动载试验测点布置图（cm）Fig.6 Measurement points of dynamic load test(cm)

3.2 自振频率测试

对环境激励、跑车、跳车等不同工况下拾振器采集的加速度时程信号进行FFT处理分析，识别结构的自振频率与阻尼比。桥梁结构前三阶竖向实测自振频率与相应的理论计算频率见表3。

表3 不同工况下实测频率测试结果Table 3 Measured frequency results under different working conditions

从表3中可看出，不同测试方法获得的自振频率较为接近，桥梁前三阶的竖向实测频率均大于理论计算频率，表明试验桥跨结构实际刚度大于理论刚度，结构整体刚度良好；此外，通过对加速度实测信号分析获得的实测阻尼比为1.178%～2.125%，表明结构在受到外界激励时属于小阻尼振动[9]。

3.3 动力增大系数测试

利用动挠度仪采集桥梁结构在跑车、跳车等不同汽车动力荷载工况下结构受迫振动的动挠度时程曲线，通过对时程曲线分析拾取最大与最小值计算得到结构实测的动力放大系数。不同工况下，桥梁结构的动力增大系数如表4所示。

表4 不同工况下动力增大系数测试结果Table 4 Dynamic increase factor results under different working conditions

从表4中可看出，不同工况下，结构的动力增大系数在1.006～1.051之间，总体较小，表明结构实际行车舒适性较好[10]，但是，有障碍的跳车试验的动力增大系数明显比匀速跑车试验要大得多，表明桥面的平整度对行车舒适性影响较大，需要注意后期运营过程中的保养，保证桥面平顺。

4 结语

以大跨度连续梁桥为工程实例进行了现场荷载试验，主要包括不同静力荷载工况下的挠度与应变测试，跑车、跳车与地脉动等动力试验工况下的自振频率与动力增大系数等参数测试，得出以下主要结论：

1）加载过程中试验桥跨的实测挠度随现场荷载的增加呈线性变化，同时试验卸载后的残余值均较小，表明结构处于弹性工作范围；控制截面实测数据拟和的中性轴至梁底的距离与理论计算吻合较好，表明结构实际受力状况良好。

2）试验桥跨控制截面的挠度与应变的校验系数满足规范要求，表明结构的刚度与强度满足设计与使用要求，承载能力满足要求。

3）不同测试方法获得的自振频率较为接近且均大于理论计算频率，表明试验桥跨结构实际刚度大于理论计算值；结构动力增大系数总体较小，表明桥梁结构的行车舒适性较好，但是需要注意后期运营过程中的保养，以保证桥面的平顺性。