天柱3号桥荷载试验评估

摘要：本章基于桥梁荷载试验，对某桥进行了承载能力评定。根据试验结果分析得出，该桥的整体刚度和强度满足正常使用要求，承载能力达到试验要求。

关键词：桥梁结构； 荷载试验； 承载能力；有限元

中图分类号: TU997文献标识码：A

1.工程概况

天柱3号桥跨径组合为7×16m，上部结构采用钢筋混凝土现浇空心板，截面高度85cm，采用满堂支架现浇施工。两岸桥台台身均采用片石混凝土重力式U型桥台，桥墩墩身采用圆柱式钢筋混凝土桥墩，桥台基础为片石混凝土扩大基础，桥墩基础为钢筋混凝土扩大基础。全桥立面图见图1，试验联如图中蓝色标注部分（第1联），试验桥跨见图中红色标注部分（第1联的第1、2跨），图中结构尺寸单位以厘米计。

图1全桥立面图（单位：cm）

2.静力荷载试验

2.1测试内容

根据大桥结构特点，本次试验测试边跨最大正弯矩截面（J1）、次边跨最大正弯矩截面（J2）。按控制截面内力（弯矩、轴力）等效原则进行布载，并使控制截面的试验荷载效率满足检测规程的要求[1-2]，见下表1所示。

表1第1联静力试验荷载效率

加载

工况 加 载 项 目 理论计算值

（kN•m） 试验计算值

（kN•m） 荷载

效率

工况1 J1截面最大正弯矩偏心加载工况（J1M+） 4171.44 4042.50 0.97

工况2 J2截面最大正弯矩偏心加载工况（J2M+） 4171.44 4042.50 0.97

2.2检测结果

1、挠度检测结果

试验荷载作用下，桥跨挠度实测结果见表2～3，满载实测值与计算满载值的比较见图2～3。

表2第1联J1截面工况1挠度检测结果

测点部位 实测满载总挠度ft（mm） 实测一级弹性挠度（mm） 实测二级弹性挠度（mm） 实测满载弹性挠度fe（mm） 实测残余挠度

fp（mm） 计算满载挠度fs（mm） 校验系数η（fe／fs） 相对残余挠度（fp/ft）

F1 1.59 0.56 1.13 1.56 0.03 5.19 0.30 1.89%

F2 1.14 0.20 0.83 1.09 0.05 5.19 0.21 4.39%

F3 1.63 0.44 0.88 1.64 -0.01 5.19 0.32 -0.61%

F4 1.63 -0.07 0.50 1.34 0.29 5.19 0.26 17.79%

F5 0.70 -0.03 0.45 0.66 0.04 5.19 0.13 5.71%

表3第1联J2截面工况2挠度检测结果

测点部位 实测满载总挠度ft（mm） 实测一级弹性挠度（mm） 实测二级弹性挠度（mm） 实测满载弹性挠度fe（mm） 实测残余挠度

fp（mm） 计算满载挠度fs（mm） 校验系数η（fe／fs） 相对残余挠度（fp/ft）

F1 1.14 0.43 0.82 0.98 0.16 5.19 0.19 14.04%

F2 1.31 0.50 1.05 1.16 0.15 5.19 0.22 11.45%

F3 1.00 0.22 0.82 0.97 0.03 5.19 0.19 3.00%

F4 0.89 0.20 0.67 1.02 -0.13 5.19 0.20 -14.61%

F5 0.81 0.22 0.22 0.83 -0.02 5.19 0.16 -2.47%

图2第1联J1截面工况1满载实测挠度值与计算值的比较 图3第1联J2截面工况2满载实测挠度值与计算值的比较

从实测桥跨挠度及与理论计算值对比结果可以看出，试验加载下，实测桥跨最大弹性挠度为1.64mm，挠度结构校验系数在0.13~0.32之间。卸载后整体上挠度回复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余挠度均在20%范围内。可见，在试验荷载下，桥跨结构整体刚度满足要求。

2、应变检测结果

试验荷载作用下，各测试截面的实测应变及与计算应变的比较见表4～5，主要测点应变值与荷载的关系曲线见图4～5。

表4J1截面工况1应变检测结果

测点编号 实测

满载

总应变

() 实测

一级

弹性应变() 实测

二级

弹性应变() 实测

满载

弹性应变() 实测

残余

应变

() 计算满载应变

() 校验系数 相对残余

应变

1-1 55 20 40 47 8 80 0.59 14.55%

1-2 60 18 46 52 8 80 0.65 13.33%

1-3 63 19 51 57 6 80 0.71 9.52%

1-4 68 20 62 65 3 80 0.81 4.41%

1-5 75 21 67 74 1 80 0.93 1.33%

1-6 33 8 28 33 0 80 0.41 0.00%

1-7 35 2 26 32 2 80 0.40 5.71%

1-8 20 6 19 21 -1 80 0.26 -5.00%

1-9 23 5 20 23 0 80 0.29 0.00%

1-10 23 4 18 21 2 80 0.26 8.70%

表5J2截面工况1应变检测结果

测点编号 实测

满载

总应变

() 实测

一级

弹性应变() 实测

二级

弹性应变() 实测

满载

弹性应变() 实测

残余

应变

() 计算满载应变

() 校验系数 相对残余

应变

2-1 47 24 40 47 0 80 0.59 0.00%

2-2 25 14 18 26 -1 80 0.33 -4.00%

2-3 23 5 14 22 1 80 0.28 4.35%

2-4 19 13 15 21 -2 80 0.26 -10.53%

2-5 22 11 25 20 2 80 0.25 9.09%

2-6 18 0 7 15 3 80 0.19 16.67%

2-7 15 2 8 14 1 80 0.18 6.67%

2-8 24 3 10 22 2 80 0.28 8.33%

2-9 18 1 9 16 2 80 0.20 11.11%

2-10 22 8 17 20 2 80 0.25 9.09%

图4第1联1-1#测点工况1应变值与荷载的关系曲线 图5第1联2-1#测点工况2应变值与荷载的关系曲线

从实测桥跨应变及与理论计算值对比结果可以看出，试验加载下，应变校验系数在0.18~0.93之间，卸载后整体上回复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变在20%范围内。可见，在试验荷载下，桥跨结构整体强度足要求[3-4]。

3.动力荷载试验

3.1测试内容及方法

动载试验针对第1联进行，包括桥跨结构自振特性及第1联的J1、J2截面行车动力响应测定试验。采集桥跨结构自由振动状态下代表性部位振动加速度、特征截面动应变时域信号，通过频谱分析等方法得到桥跨结构自振特性参数。

3.2检测结果

1.桥跨结构振型计算结果

采用有限元模型计算桥跨结构自振特性，其结果见图6。

图6第1联一阶竖向弯曲计算振型（f1=6.45Hz）

2.结构自振特性检测结果

采用脉动、行车余振和刹车激励桥梁振动，用高灵敏加速度计拾取结构自振信号，通过分析计算得到结构的自振频率，图7为实测自振信号频谱图，图8为实测阻尼比分析图，结构自振特性实测结果汇总见表6。

表6自振特性检测结果汇总表

天柱3#桥 振型特征 项目 实测均值 计算值f计算 f实测／f计算 阻尼比（%）

第1联 对称竖向弯曲 频率f1(Hz) 10.83 6.45 1.68 5.13

图7第1联J1截面实测脉动频谱图 图8 第1联J1截面10km/h跑车加速度时程曲线

在理论可识别的范围内，试验桥跨结构第1联实测竖向一阶频率均值为10.83Hz。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG /TJ21-2011)中第5.9条的相关规定[5]，宜根据实测自振频率fmi与理论自振频率fdi的比值来确定自振频率评定标度，具体评定标度如表6.4-2所示，该桥第1联实测自振频率fmi与理论自振频率fdi的比值为1.68，因此确定该桥第1联自振频率评定标度为1。

3 .行车动力响应检测结果

实测动应变和应变增大系数见表7所示。

表7 第1联动应变测试分析结果

工况

项目

测试参数 无障碍行车试验

刹车试验

10km/h 20km/h 30km/h 40km/h 50km/h

J1截面最大应变 4.824 4.980 6.634 6.326 6.383

J1截面应变增大系数 1.149 1.095 1.166 1.057 1.055

J2截面最大应变 12.329 13.245 16.293 14.937 15.223

J2截面应变增大系数 1.108 1.047 1.155 1.079 1.052

第1联冲击系数最大值为0.166，而相对应的动力试验荷载效率为0.313，按《公路桥涵设计通用规范》中规定，理论计算冲击系数第1联。

根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（“铁组”YC4-4/1978）中“车辆荷载作用下测定结构的动力系数（应变增大系数）应满足 (实测最大动力系数×动力试验荷载效率≤理论计算冲击系数)”的规定进行计算可得：该桥的实测应变增大系数满足规范中要求,图9为应变增大系数随车速的变化曲线，行车试验动力响应实测信号见图10。

图9第1联实测应变增大系数随车速的变化曲线 图10第1联10km/h行车试验J1截面实测动力响应

4.总体结论

综上所述，天柱3号桥试验桥跨在荷载作用下主要测点的挠度校验系数和应变校验系数均小于1，整体工作性能好，承载能力满足公路-Ⅰ级设计荷载标准要求，该大桥能交付正常使用。同时建议在通车运营后有关管理部门加强对桥梁的养护管理和定期观测检查。

参考文献

《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）；

《公路桥涵设计通用规范》（JTJ D60-2004）；

张建仁, 王磊. 既有钢筋混凝土桥梁构件承载力估算方法. 中国公路学报, 2006, 19(2): 49-55

杨伟军，梁兴文，张建仁. 服役桥梁评估荷载分析. 中南公路工程，2002，27（3）：31-33

《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（“铁组”YC4-4/1978）；

作者：王华，男，1988年8月28生，汉族，湖北宜昌，硕士学历，从事桥梁检测与加固方面的工作