预应力混凝土简支梁桥静动载试验研究

摘要：本文以某大桥引桥为背景，根据预应力混凝土简支梁桥的结构特点，对预应力混凝土简支梁桥荷载试验方案、测试方法、试验数据等进行研究分析。本文的理论分析和试验研究为桥梁质量评价提供重要依据，对同类桥梁的检测提供参考和借鉴。

关键词：预应力混凝土简支梁；静动载试验；试验方案；测试方法

中图分类号：U446.1文献标示码：B

0前言

近年来，我国交通运输事业发展迅速，为桥梁建设的发展提供机遇。简支梁桥在大量低等级公路中被广泛采用。随着交通量的剧增，桥面宽度及桥梁跨径均呈上升趋势，传统的混凝土梁桥已难以满足实用要求，预应力混凝土简支梁桥因此应运而生。本文以某大桥引桥为背景，对预应力混凝土简支梁桥荷载试验方案、测试方法、试验数据及现场组织等内容进行研究。

1工程概况

某大桥桥面宽度组成：0.5（栏杆）+2×3.5（行车道）+0.5（栏杆）=8.0m；桥梁主桥上部结构采用41.3m+3×35m+3×35m+41.3m+7×30m装配式预应力混凝土简支T梁，分新、旧两部分，其中，新桥部分采用公路-Ⅱ级，旧桥部分采用汽车-20级、挂车-100。该桥总体布置图如下图1所示。

图1总体布置示意图（单位：cm）

2试验目的

根据桥梁的实际情况，对其性能进行静动载试验及质量评价，为确保桥梁质量情况提供重要的理论依据。因此，本荷载试验将力求达到以下目的：

1）检验桥梁现状及内在质量，确定工程结构的可靠性。

2）通过测定桥跨结构在试验荷载作用下控制截面应力和挠度，并与理论计算值比较，拟检验实际结构控制截面应力与挠度值是否与设计要求相符。

3）通过测定桥跨结构的自振特性以及在试验动荷载作用下桥跨结构的动力反应，拟评定实际结构的动力性能。

4）通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，对实际结构作出总体评价，为交工验收提供技术依据。

5）通过荷载试验，积累基本数据，建立桥梁“指纹”档案。

在完成上述工作的基础上，将经过详细地计算分析并与实测值进行比较，提供该桥动静载试验检测报告。

3结构静力荷载试验

3.1 测点布置、量测方法

利用桥梁空间分析程序Midas/Civil进行建模分析，依据桥跨结构所得的活载内力包络图和位移包络图见图3.1所示；选择测试截面为Ⅰ-Ⅰ（第15跨跨中）、Ⅱ-Ⅱ（14#墩顶附近）、Ⅲ-Ⅲ（第14跨跨中）。测试截面如图3-2所示。

图3-1 活载挠度图图3-2 桥梁测试截面布置示意图

①应变测点

T梁应变测点布置：沿纵桥向布置于Ⅰ-Ⅰ（第15跨跨中）、Ⅱ-Ⅱ（14#墩顶附近）截面、Ⅲ-Ⅲ（第14跨跨中）截面，每个断面布置8个正应变（应力）测点（不包括温度补偿片），分别布置于T梁腹板底部及上缘。在每个测试断面的位置布置一个温度补偿片，用于抵消温度变化对测试应变（应力）的影响。

②挠度测点

挠度是衡量整体桥梁结构实际刚度的一个重要指标，挠度测点设在T梁底板处，采用百分表观测结构竖向变位，第15跨跨中截面与第14跨跨中截面为挠度测点，每个断面布置4个挠度测点。

3.2加载工况

按各测试截面的最不利效应进行布载，单跨为3种工况，分别为：

工况1：纵桥向按Ⅱ-Ⅱ截面剪力最不利位置布载，横桥向为中载布置。

工况2：纵桥向按I-I、III-III截面弯矩、挠度最不利位置布载，横桥向为中载布置。

工况3：纵桥向按I-I、III-III截面弯矩、挠度最不利位置布载，横桥向为偏载布置。使用有限元程序作出连续梁的内力图和挠度影响线图，根据影响线可确定各工况中汽车荷载的加载效率，该桥各工况荷载效率系数满足要求。

将各工况应变测点的计算值（其中正应变以受拉为正，受压为负）与实测值作比较在相当于设计荷载效应的试验荷载作用下，各工况应变实测数据规律性较好，其中：

工况二（跨中截面）在中载作用下，第15跨校验系数最大值为0.97，最小值为0.90，第15跨主梁平均校验系数为0.93；第14跨校验系数最大值为0.87，最小值为0.79，主梁平均校验系数为0.83。

工况三（跨中截面）在偏载作用下，第15跨校验系数最大值为0.93，最小值为0.87，第15跨主梁平均校验系数为0.89；第14跨校验系数最大值为0.90，最小值为0.81，第14跨主梁平均校验系数为0.86。

在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，各工况应变校验系数平均值在0.83~0.93之间，所有测点校验系数基本上均在0.80以上，说明该联桥梁应力状况基本达到《公路桥梁承载能力检测评定规程》（报批稿）的要求限值，且有部分测点数据超出限值。

在相当于设计荷载效应车辆荷载作用下，由挠度实测数据可知，在几个主要工况下挠度规律与分析结果吻合完好，但绝大多数测点校验系数均在0.80以上。

4结构动力荷载试验

4.2动力荷载试验分析

通过、右幅桥分别做脉动试验，测定结构固有振动特性（频率、振型和临界阻尼比），以验证分析本桥的整体刚度，判断有效断面的削弱情况。

(1)动力试验荷载及作用方式

1）无障碍行车试验。在桥面无任何障碍情况下，用一辆重车（总重约300 kN）分别按对称和非对称两种情况，以20、40公里等不同速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构的动力反应。

2）刹车制动实验。动力试验荷载同无障碍行车试验荷载，让动力荷载以每小时20、40公里等不同速度，在桥跨结构跨中截面进行正面和逆向刹车，以测定桥跨结构的动力反应。

3）跳车试验。动力试验荷载同无障碍行车试验荷载，让动力荷载以每小时20、40公里等不同速度行驶并跨越设置在测试断面处的障碍（高度为10cm的三角形楔形块或类似障碍物），测定桥跨结构的动力反应。

(2)动力试验测点布置及测试方法

为了有效地测取结构的动力性能，应将测点布置在前三阶振型中振幅均较大的位置。根据引桥振型图决定，加速度传感器的安装位置在纵向与主梁挠度测点布置一致，横桥向仅布置单侧，共7个测点。本次动载试验在试验孔1/2跨布设加速传感器，识别大桥整体振动的动力特性参数，包括自振频率和阻尼比。

(3)主要测试仪器

加速度传感器、磁带记录仪、电荷放大器、信号分析仪、数据存储设备等。

(4)结构动力分析

采用结构分析有限元通用程序进行空间结构建模分析。分析计算成果见图4-1～4-2所示。

图4-1 一阶振型图（f1=5.09Hz） 图4-2 二阶振型图（f2=19.22Hz）

4.2试验荷载及加载工况

（1）试验荷载

动力试验荷载的确定信号以达到足够的强度为条件。本次试验采用一辆载重汽车（与静载试验荷载相同）匀速驶过全桥，测取振动响应信号。

(2)试验工况

动力试验工况：载重汽车匀速通过试验桥跨。为了确保桥上行车安全，本次拟定：

工况1：一辆试验车以30km/h匀速通过全桥；

工况2：一辆试验车以40km/h匀速通过全桥；

工况3：一辆试验车以50km/h匀速通过全桥。

4.3试验结果及分析

本次试验用一辆载重车分别以30km/h、40km/h、50km/h匀速居中通过桥梁进行激振，测定结构的动力参数。以安装在桥梁上的加速度传感器响应，测得的桥梁振动振型图及频域曲线见图4-4~4-9。

图4-6跑车时桥梁振动时程图(40km/h) 图4-7桥梁振动自功率频谱图(40km/h)

从振动时域曲线、频域曲线图及测试数据可以看出：

1、振动曲线符合简支梁桥的振动规律。

2、振动时域、频域曲线合理及阻尼比合理。

3、从频域曲线上可以看出：实测得到一阶频率为4.45Hz；结构的阻尼比为0.024大于2.0%，说明梁体内部存在裂缝，由于裂缝的发展会影响结构原有动力特征，建议采取措施限值裂缝的继续扩展。

4、频率校验系数为1.14，大于1，该桥整体刚度小于理论计算值。

5结论

本文介绍了预应力混凝土简支梁桥荷载试验方案、测试方法、试验数据及现场组织等内容，具有一定的科学性和实用性。文中确定合理的测点布置、测量方法等，实践证明，此方案研究对同类型桥梁的静动载试验具有一定参考价值。

参考文献

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