G315线红桥基于荷载试验的承载力分析与评估

摘 要：

基于荷载试验的混凝土桥梁承载力评定是在对桥梁进行静载荷试验和动载荷试验以后再根据桥梁结构理论和工程力学理论来对桥梁结构进行计算和分析，得到更为客观和科学的结构承载力评估。本文就新疆G314线红桥基于荷载试验的桥梁评定方法进行了说明和分析。

关键词：

桥梁荷载试验 承载能力评价

中图分类号：U441+.２文献标识码： A

1、前言

随着经济建设的需要和交通事业的发展，我区交通交通建设取得了瞩目的成就，线路载重及运量在不断的增长，对桥梁的承载能力以及通行能力都提出了更高的要求。既有桥梁在不断增加，桥梁损伤以及其它不适应交通运输要求的问题也相继出现。既有桥梁不满足承载要求的现象也越来越普遍。为了保证现有桥的安全运营，对现有桥梁进行检测评估，了解其安全状况和剩余承载力。这样的检测不论是对新建桥梁，还是对既有桥梁都有着很重要的意义。

2、动、静载荷载试验方法

2.1静载试验

桥梁的静载试验是将静止的荷载作用在桥梁指定位置，然后对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力作出评价。

2.1.1 静载试验一般步骤

1)在外观上来检测基础上要选择桥梁施工质量较差、缺陷较多或病害相对严重且计算受力最不利的孔或墩为荷载试验孔，并实际测量其构件的基本尺寸，材料特性。

2)通过建模计算来确定试验加载方案，主要包括试验荷载载重和加载位置的确定以及测点布置、荷载工况等。

3)根据加载方案的现场加载，使用静态应变来测试系统采集桥梁在试验荷载作用下的实测应变及挠度值。

4)进行数据整理，将实测值与理论计算值进行比较，通过校验系数确定该桥的承载力是否满足设计要求。

2.1.2静力试验荷载确定原则

就某一加载试验项目而言，其加载位置、载重量的确定原则为试验荷载作用下产生的该试验项目如内力、位移等的最不利效应值达到根据设计标准荷载作用下产生的最不利效应值在0.95～1.05之间。

2.1.3静载试验结果分析与评价

校验系数η 是桥梁结构静载试验的主要评价指标。当η= 1 时，说明实测值与理论值完全相符;当η1 时，说明结构工作性能差，安全储备不足。在文献中均给出了常见桥梁校验系数的常值范围。

2.2动载试验

桥梁的动载试验是使用某种激振方法来激起桥梁结构的振动，然后测定其固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数等各种参量，从而也就可以判断桥梁结构的整体刚度、行车性能。一般包括脉动试验、跑车试验等。脉动试验主要测定频率、振型和阻尼比等振型参数;跑车试验是在桥面无任何障碍的情况下，试验车辆以20、30、40、等的速度驶过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。

3、工程实例

3.1工程概况

红桥位于位于轮台县境内， 桥梁全长68.0m，该桥上部结构为4×16m无粘结预应力混凝土空心板，桥面宽度为净11+2×0.5m（安全带），桥梁下部结构为埋置式肋板台，双柱式墩，桩基础。建成于1998年10月，桥梁设计荷载为汽-20、挂-100，如图1。

图1桥型布置示意图

3.2模型建立及结构验算

本次桥梁结构验算使用MIDAS/Civi进行有限元建模，用以计算实际车辆荷载作用下测试截面测点的挠度及应变值，如图2。

图2 有限元模型

3.3静载试验

3.3.1荷载试验加载原则：

由于新规范中二级公路桥梁荷载等级为公路－Ⅱ级，其考虑的是车道荷载，而老规范的汽车－20采用的是车队荷载，二者有所差异，在控制截面处引起的弯矩值亦不同。通过桥梁病害的调查及病害对桥梁承载能力影响程度的判断，确定按公路－Ⅱ级和汽车－20中控制截面弯矩中的较大值进行试验加载。

根据设计标准活荷载产生的最不利效应值，按0.95≤η≤1.05原则等效换算，得出各工况下试验所需加载车辆（前中轴距4.0米，中后轴距1.4米，轮距1.8米）各车重量的数量及重量见表1。

表1 试验车重量及轴重

表2各荷载工况下空心板跨中挠度值

按两辆35t荷载车偏载工况下的边板跨中挠度值代入试验荷载效率系数计算公式可以得出荷载效率系数92.2%。

3.3.2测试截面选取

对模型施加移动荷载，计算并绘制桥梁荷载作用下的弯矩包络图及剪力包络图，确定出挠度测试截面为梁板跨中截面及L/4截面，应变测试截面为跨中截面。

3.3.3测试工况确定

为了得到荷载效应下桥梁控制截面应力（应变）及变形，评价桥梁实际工作状态及承载能力，采用2个工况进行分析计算，工况1：跨中截面（双车偏载），2辆350kN车，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)第4.3.1条“车辆荷载横向布置图”进行偏载布置见图3，工况2：2辆350kN车，位于桥面中央，进行中载布置见图4.

图3 试验工况1L/2的双车偏载布载示意图 图4 试验工况2L/2的双车中载布载示意图

3.3.4各试验工况的载位布置

加载车辆的载位布置是通过有限辆的试验用车，布置在适宜的位置，对测试截面产生的结构内力，达到设计标准活荷载产生的最不利内力效应值。试验车辆载位布置的确定，将由Midas程序中移动荷载追踪器计算完成。通过计算，可以给出边板跨中产生最大竖向位移(最不利情况)时的荷载载位：

双车偏载时，6号边板跨中竖向位移最大，荷载载位见图5。

双车中载时，3号板跨中竖向位移最大，荷载载位见图6。

图56号板跨中最大位移时荷载载位示意图图63号板跨中最大位移时荷载载位示意图

3.3.4静载试验结果及分析

（1）挠度结果及分析

静载试验各工况作用下，测点跨中及L/4挠度结果见下表3.

表3 静载试验各工况各板跨中挠度表（mm）

试验得到各工况下跨中截面及L/4截面荷载作用下的挠度值，将试验结果与模型计算结果进行对比分析，工况1和工况2挠度理论计算值与实测值对比图如图7、图8、图9、图10所示。

图7 工况1最大正弯矩跨中偏载工况图8 工况1最大正弯矩L/4偏载工况

图9工况2最大正弯矩跨中中载工况图10 工况2最大正弯矩L/4中载工况

通过以上图表结果，其挠度校验系数均在合理取值范围内，且各工况下跨中最大挠度为10.85mm小于相应位置计算理论值15.78mm。故可认为桥梁刚度能满足原桥设计荷载汽车－20级荷载的要求。而且残余变形没有超过±2.0mm，表示该跨结构亦处于弹性工作状态。

（2）应变测试结果及分析

工况1、工况2用以检测跨中截面承受对称中载及偏载正弯矩的承载能力。测点布置见图11。

图11跨中截面的应变片布置图

工况1、工况2在试验荷载作用下测点应变测试结果见表4。

表4静载试验各工况各测点应变表

试验得到各工况下跨中截面荷载作用下的应变值，将试验结果与模型计算结果进行对比分析，工况1和工况2应变理论计算值与实测值对比图如图12、图13、图14、图15所示。

图12 工况1最大正弯矩跨中偏载工况图13 工况1最大正弯矩跨中偏载工况

图14 工况1最大正弯矩跨中偏载工况 图15 工况1最大正弯矩跨中偏载工况

工况1、工况2是判别跨中截面承载力的主要工况，通过应变测量，间接反映出桥梁控制截面受力状态。以上图表结果，在工况1、工况2时，跨中截面应变效验系数η在0.52~0.70之间，表明相应截面的强度尚能满足原设计荷载的要求。

3.3.5静载试验测试结论

桥梁挠度测试结果可认为桥梁刚度能满足原桥设计荷载的要求，而且残余变形没有超过±2.0mm，表示该跨结构亦处于弹性工作状态。桥梁应变测试结果表明表明相应截面的强度尚能满足原设计荷载的要求。通过桥梁静载试验可判定该桥承载能力能够满足原设计荷载标准通行要求。

3.4动载试验

动载试验包括桥梁结构的振动频率、阻尼等动力参数和动应变测量两个部分，获得桥梁结构的动力特性，并与理论计算结果进行对比，从而评定桥梁结构的整体动力性能。

使用Midas/Civil建立空间有限元模型，经计算分析得到桥梁动力特性理论计算值。见表5，振型见图16、图17.

表5动力特性理论计算值

图16桥板一阶振型图16桥板二阶振型

3.4.1动载试验工况及结果

动载试验设置脉动试验工况，10km/h、20km/h、30km/h、40km/h跑车工况，10km/h刹车、20km/h刹车工况，及跳车试验工况。

（1）脉动试验结果

桥梁结构环境激励的加速度响应结果，一阶固有频率为5.45Hz，二阶固有频率为7.52Hz。

（2）跑车试验结果

跑车试验共设4个试验工况，测得结构在动荷载激励下的强迫振动响应结果见表6。

表6各工况桥梁各阶固有频率测试结果

注：由于车辆附加质量的影响，其不同方式下的结构固有频率有所不同，其值有待修正。

（3）刹车试验结果

刹车试验结果平均值见表7。

表7各工况桥梁各阶固有频率测试结果

（4）跳车试验结果

为了提高试验数据的可靠度，跳车工况进行了多次试验，测量桥梁结构在冲击荷载作用下的自由振动响应。识别的结构一阶固有频率平均值6.50Hz，二阶固有频率平均值7.20Hz。

根据跳车激励后的动应变衰减情况，可计算得到桥梁结构阻尼比ζ=0.012。通过跑车试验和对结构固有频率的分析表明混凝土结构带有裂缝，试验结果与外观检测结果相一致。

（5）动应力测量试验

按照《公路桥梁设计通用规范》JTG D60－2004的第4.3.2条规定，汽车荷载冲击系数理论计算值为μ=0.297。

在桥梁试验检测各试验工况下动应变时程响应曲线进行分析并进行计算μ=0.312，说明该桥动力冲击系数较大，该桥行车性能较差，桥面平整度不良。

3.4.2动荷载试验结论

通过动载试验得到桥梁的振动频率、冲击系数、阻尼比等相关数据，说明桥梁的刚度尚能满足原设计荷载标准通行，但储备不足；通过阻尼比的测定说明桥梁存在不同程度的裂缝，这与桥梁实际情况相吻合。

3.5承载能力分析与评估结果

⑴ 通过静荷载试验表明，在试验荷载作用下，该桥承载能力满足原设计要求。

⑵通过动载试验得到桥梁的振动频率、冲击系数、阻尼比等相关数据，说明桥梁的刚度尚能满足原设计荷载标，但储备不足。

结束语

桥梁荷载试验理论成熟，在实际桥梁检测评估中得到了广泛的应用，对服役桥梁结构承载力评定及健康状况评估提供了直接有效的方法。

桥梁静载试验主要是通过试验荷载作用下的挠度、应力等特性的变化，从而评定桥梁结构的承载能力。桥梁动载试验主要是通过动力荷载测试获得结构的动力参数判定桥梁的健康状况。

参考文献

[1]张俊平，主编，姚玲森主审．桥梁检测[ M]．北京:人民交通出版社, 2002．

[2]宋一凡，编著．公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京:人民交通出版社, 2002

[3]谌润水， 胡钊芳．公路桥梁荷载试验[M]．北京:人民交通出版社, 2003．

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[5] 孙训芳,方孝淑,关来泰.材料力学[M].高等教育出版社,2001.10.

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