铁路大跨度连续刚构桥静动载试验研究

摘要 对128m跨度的某铁路连续刚构桥实施静动力荷载试验，测试并分析静载工况下的主跨控制截面应力、挠度。试验结果表明桥跨结构受力合理，具有良好的刚度和强度。在动载试验中，测试桥跨结构的自振特性，并进行了行车激振试验，分析桥跨结构载行车下的冲击作用。

关键词 连续刚构桥 静载试验 动载试验

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

1 试验目的及意义

为保证新建桥梁的工程质量，在竣工验收时应进行荷载试验，其目的在于通过测定桥梁结构在试验荷载作用下控制断面的应力和挠度，并与理论计算值相比较，以检验结构控制断面的应力和挠度是否与设计相符，藉以判断桥梁结构实际的承载力；通过测定桥跨结构的自振特性已经在试验荷载下的动力和挠度，评价结构的动力性能；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，为工程验收提供技术依据，并为今后同类桥梁设计提供经验和积累资料。

搞好铁路大跨度连续刚构桥的试验工作，对其性能作出正确评定，对该类型桥梁的发展和提高工程质量有着十分重要的意义。

2 工程概述

某预应力混凝土连续刚构桥，主桥为三跨连续刚构，全桥布置为1×32m简支梁＋1×34.25m简支梁＋2×35.8m简支梁＋（66＋128＋66）m预应力混凝土连续刚构。其中主跨布置为（66＋128＋66）m。连续刚构梁体为单箱单室变高度变截面箱梁结构，支墩处梁高8.8m，跨中及边跨梁端处梁高4.4m。梁体下缘除中跨中部34m梁段和边跨端部19.7m梁段为等高直线段外，其余为圆曲线，梁体全长261.4m。箱顶宽8.1m，箱宽6.1m，除梁段附近区域外，顶板厚50cm，底板厚40~90cm，腹板厚40~70cm。梁体在端部和支墩处共设6道横隔板，横隔板中部设有孔洞，供检查人员通过。桥上线路等级为Ⅰ级，设计荷载为中—活载，电力机车牵引。

实施成桥静动载试验的目的在于直接了解桥跨结构试的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能，通过动载试验了解桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用荷载阶段的动力性能，论证其抗风、抗震性能，确定其使用条件和注意事项，通过荷载试验，建立桥梁“指纹”档案。

3 荷载试验设计与实施方法

3.1 静载加载设计

加载位置与加载工况的确定主要依据的原则是：尽可能用最少的荷载达到最大的试验荷载效率，同时应考虑简化加载工况，缩短试验时间，在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况依据某一检验项目为主，兼顾其他检验项目。

图1桥跨分布与荷载测试布置

图2ANSYS空间模型图3主梁应力及挠度布置

列车荷载为中—活载。就某一检验项目而言，所需车辆荷载的数量，以设计控制荷载产生的该检验项目(如：内力和位移等)的最不利效应值尽量满足下式所定原则等效换算而得：

式中： 为静载试验荷载效率；

Sstate为试验荷载作用下某一检验项目最大计算效应值；

S为设计控制荷载作用下该检验项目的最不利计算效应值；

为规范采用的冲击系数。

理论计算采用商用有限元软件ANSYS做模型模拟，根据分析结果该桥主要针对边跨及主跨正负最大弯矩做等效加载。具体各种工况下荷载布置位置见图1，ANSYS空间模型见图2。

3.2 静载试验测试内容与方法

3.2.1测试内容

主梁控制截面(一边跨跨中附近截面最大正弯矩，一墩顶截面最大负弯矩，中跨跨中截面最大正弯矩)加载试验。各试验加载截面的应力测试、试验荷载作用下加载跨及相临跨梁体竖向挠度及支座竖向位移、加载跨及相临跨梁体横向位移；试验荷载作用下墩顶纵向位移、端支座处纵向水平位移、梁端转角。主梁应力测点布置图见图3。

3.2.2测试方法

梁体控制截面应力采用在箱梁表面粘贴阻值120的箔式应变计测量，温度补偿用搁置在测点附近事先贴好应变花的混凝土试块实现补偿；梁体的竖向挠曲变形，是在桥面上沿桥轴线及上下游边缘线分东西两半跨用全站仪进行测量；梁体纵向位移，采用大游标卡尺(量程500mm)测量梁端到设置在桥台上固定点之间的距离变化，即测量左岸伸缩缝来测定；温度测量，采用红外温度测试仪测量梁体及墩的表面温度及环境温度。

3.3动载测试内容与方法

3.3.1测试内容

测定桥跨结构固有振动特性，包括1~3阶频率、振型和阻尼比。试验列车以10~90km/h的速度匀速行驶，测试梁体在行车荷载作用下的动力响应，包括梁体截面的振幅和冲击系数。试验列车以30km/h的车速行驶，在中跨跨中及墩顶刹车，测试梁体在制动荷载作用下的动力响应。

3.3.2测试方法

在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应；列车制动试验：列车以30km/h的速度运行，在桥梁指定部位制动，记录振动信号，分析桥梁在冲击荷载作用下的竖向强迫振动频率、振幅、阻尼特性；利用动应力或挠度曲线推求梁的冲击系数，测量梁体在列车荷载作用下的最大横向、竖向加速度值。

4 静载试验结果与分析

4.1主梁应力分析

主梁应力测试结果与理论的比较见表。

表1连续刚构主桥梁体应力比较应力MPa

表2墩身应力实测值与计算值的比较 应力MPa

从实测应力结果可以看出，各截面的应力结构校验系数介于0.64~0.83之间，略超出合理的范围，但实测及计算值均很小，可见主跨及敦身处于弹性受力状态，表明桥跨结构具有足够的强度，满足设计要求。

4.2主梁挠度分析

主梁挠度测试结果与理论的比较见表3、表4。

表3A-A截面加载梁体挠度比较

表4C-C截面加载梁体挠度比较

连续刚构桥在各荷载工况下的梁体挠度实测值及其与试验计算值的比较见表3、表4。从实测挠度结果可以看出：挠度结构校验系数介于0.71~0.78之间，满足检定规范规定的0.70~0.80的范围；；中跨跨中梁体最大挠度为15.15mm，桥跨结构具有足够刚度，满足设计要求。

5 动载试验结果与分析

5.1自振特性测试结果与分析

自振特性的理论分析采用商用有限元程序ANSYS建立空间单元模型做模态分析，桥跨的实测自振特性与理论计算值的比较见表。自振频率的实测值与理论值除竖向一阶、二阶自振频率实测值与计算值差异略大外，其余各点实测值与计算值较为接近。存在一定偏差的原因主要是理论计算模型与实际结构的差异以及测试误差的影响。

表5主梁实测自振频率及其与计算频率的比较

5.2行车激振结果及分析

5.2.1动应变测试结果

行车激振是重车以10、20、30……80km/h的速度通过桥面，测试梁体A-A、B-B、C-C三个截面的动态应变。

在各种行车工况下，A-A截面实测冲击系数（1+μ）介于1.01~1.08之间，最大值出现时速为80km/h时，值为1.08；B-B截面实测冲击系数介于1.01~1.07之间，最大值出现时速为80km/h时，值为1.07；C-C截面实测冲击系数介于1.01~1.07之间，最大值出现时速为80km/h时，值为1.08，可见在行车激振对桥跨主梁的冲击系数很小。

图4C截面40km/h上行动应变曲线

图5 C截面77km/h上行动挠度曲线

车辆对桥跨的冲击作用源于三个方面：车辆自身的振动，桥面不平引起车辆振动，车辆作为移动荷载对桥跨结构产生的广义挠动力作用，而这三个作用又是相互耦合相互影响的。

5.2.2动挠度结果及分析

中跨跨中(C-C)截面在各种车速下的实测动挠度最大值见表10.5.1。动挠度实测图见图5。

表6 C-C截面动挠度实测值(mm)

从实测动挠度结果可以看出：在各种行车荷载作用下，中跨跨中截面的最大动挠度介于13.5~23.05mm之间，与静载试验下的中跨跨中挠度值相比，动挠度值增加不大，表明桥跨结构受到运营列车对冲击较小，这与实测应力冲击系数较小的结论是一致的，也表明桥跨结构具有足够的刚度。

6 桥梁“指纹”档案的建立与应用

通过桥跨的静动载试验，载整理分析试验结果的基础上，建立了大桥的竣工后的详细结构静动力性能档案资料，并为以后该桥载运营后的静、动力检测资料提供了基准数据。静载基准资料使得后续的静载试验分析桥跨结构的整体刚度下降，控制截面受力及分布变化变成可能，为桥梁结构状况的判断提供了更多、更有力的技术资料。

某铁路连续刚构桥的自振特性试验中，详细测试了桥跨结构竖向、横向前几阶的自振频率与振型，数据效果良好，这为以后的动力检测的频率法、模态法、模态曲率法、阻尼法等多种方法的检测应用提供了良好的基准。随着动力检测理论与方法的不断发展，动载基准资料必将在以后的桥梁检测中发挥越来越重要的作用。

7 结论

由结构静载试验及分析可知结构在试验荷载下处于弹性受力状态，主梁有较好的刚度，受力状况合理，符合设计要求。桥跨结构静力性能能满足设计要求。

由桥跨动载试验及分析可知桥跨结构具有良好的动力性能，符合设计要求；无障碍行车对桥梁的冲击作用很小。

通过桥跨结构的静动载试验，在整理分析试验结果的基础上建立了某铁路连续刚构桥在竣工后的详细静动力性能的资料，为以后该桥在运营阶段，特别是老化阶段的检测与评定提供了基准数据。

参考文献

[1] 马保林编著，李子青主审.高墩大跨连续刚构桥.人民交通出版社.2001

[2] 王乐文等.大跨度斜拉桥的动力分析模型.华南理工大学.1999

[3] 胡钊芳等.公路桥梁荷载试验.人民交通出版社.2003