吕向明

（天水师范学院 土木工程学院，甘肃 天水 741001）

1 工程概况

以某连续钢箱梁桥作为案例，阐明静载荷试验方法在该种桥型的应用.引用的钢箱梁桥为一联五跨连续梁结构，钢箱梁采用流线型的单箱多室断面，梁高为2.0m，梁顶面宽25m，梁底宽13.5m，每侧悬臂采用外伸长度5.75m的焊接钢板梁，且下翼缘采用流线型.钢箱梁桥的孔跨布置如图1.

图1 钢箱梁孔跨布置图

钢箱梁横断面结构布置：2*（0.5m的栏杆+0.5m的路缘带+3×3.5m的行车道+0.5m的路缘带）+1m的中央分隔带，箱梁的横断面布置如图2.

图2 钢箱梁横断面布置图

2 静载试验

静载试验作为现场试验方法之一，通过建立实体桥梁模型进行理论分析，确定施加载荷的大小、位置和控制截面的位置，制定可行的试验实施方案.通过在成桥结构上施加计算设计的静力试验载荷，测量在荷载作用下控制截面的应力及控制截面变形，测得桥梁结构现实工作状态下的试验数据，并与设计期望值进行比较是否相符，以便能较准确的反映桥梁结构的真实使用性能.[1]

2.1 静载试验荷载工况的确定

桥梁静载试验通过加载试验测量的数据和理论分析结果计算静载试验效率ηq，通过使控制截面的受力或变形达到最不利情况，确定试验荷载的大小及施加荷载的位置，使所选定的控制截面的静载试验效率达到最大值.试验获得的静载试验效率要求为：

式中的ηq为静力试验荷载效率；St为施加荷载作用下的最大计算效应值；Sd为在设计荷载作用下对应的最不利计算效应值；μ为冲击系数.[2]

在确定试验方案时，对桥梁进行有限元静力分析，获得各控制截面在最不利荷载作用下的分析结果，根据分析结果确定荷载大小和荷载位置.试验采用试验汽车来模拟试验荷载，设计标准荷载通过轮距、轴重、轮压模拟，在试验进行前，对每辆加载汽车配重、编号.试验中采用的局部荷载要使桥梁结构测量项目不超出设计限值.

对该桥，计算中采用的设计荷载为城—A，建立桥梁模型计算各控制截面在荷载作用下的内力，按计算结果设计试验荷载大小、作用位置.计算提取各控制截面在设计荷载作用下的计算弯矩和在试验荷载作用下的弯矩，根据分析结果计算荷载效率系数，所得数据见表1.荷载效率系数在0.80～1.05范围内.

2.2 加载工况、位置及测点布置

用有限元分析软件ANSYS对该桥建立模型，分析知道，A截面为最大正弯矩控制截面和最大挠度控制截面位置，B截面为最大负弯矩控制截面位置，C截面为边跨最大正弯矩控制截面位置，如 图3.从而确定以下四种工况为最不利加载：

表1 试验荷载效率系数

图3 静载试验控制截面布置示意图

工况I：控制截面为A截面，施加荷载为最大正弯矩，对全桥各测点的应力和挠度进行测读，该控制截面的测点应力和位移进行重点测试.

工况II：控制截面为B截面，施加荷载为最大负弯矩，对全桥各测点的应力和挠度进行测读，该控制截面的测点应力和位移进行重点测试.

工况III：控制截面为C截面，施加荷载为最大正弯矩，对全桥各测点的应力和挠度进行测读，该控制截面的测点应力和位移进行重点测试.

工况Ⅳ：控制截面为D截面，施加荷载为最大正弯矩，对全桥各测点的应力和挠度进行测读，该控制截面的测点应力和位移进行重点测试，利用对称对C截面的实验数据进行复核.

为了获得外荷载作用下的结构应力，应用应力应变关系式σ=Eε，先通过试验测出构件表面的应变，再计算得到结构内力的方法.本桥在梁体下表面控制断面上粘贴电阻应变片，进行构件表面应变测试.本桥的应力测试截面有5个，其中跨中截面4个和墩顶截面1个，每个控制截面粘贴了10个电阻应变片，全桥共粘贴了50个电阻应变片. 在钢箱梁下表面顺桥向粘贴应变片，具体情况如 图4.

图4 测试截面应力测点布置图

在荷载作用下，桥梁结构的刚度由位移值反映.为了精确测试本桥的挠度，在桥下地面上直接支架百分表测量静荷载作用下的位移值.本桥设有5个挠度测试截面，挠度控制截面分别位于梁端、第一跨～第四跨的跨中截面，每个截面在底板左右幅对称布置两个挠度测点.挠度测量截面、测点布置如图5.

图5 测试截面挠度测点布置图

分二级对试验工况逐步进行加载，在试验荷载作用下，对挠度、主梁的应变和应力等各项力学性能指标进行测试.

3 结构分析和静载试验结果对比

3.1 结构分析

应用大型通用有限元分析软件MIDAS建立该桥有限元模型进行静力求解，求解时各工况加载的大小和实际试验中载重车辆的前后轮称重和加载位置均相同.在分析计算过程中，提取在荷载作用下各应力测点的应力，提取在荷载作用下各挠度测点的挠度，[3]提取结果作为理论值依据与试验实测结果进行对比.建立工程实例桥的空间有限元模型如图6，以工况Ⅰ荷载作用为例提取应力测点的应力及挠度测点的挠度理论解汇总如表2.

图6 实例桥空间有限元模型

表2 力结果汇总表

3.2 静载试验结果与理论值对比

结构的受力性能评价，是通过对比理论值SD与实测值ST得到结构校验系数K=ST/SD.结构校验系数K在合理范围内，则该桥梁的工作性能符合要求.以下仅以工况Ⅰ第二级荷载作用下结构校验系数的计算为例进行说明，工况Ⅰ第二级荷载作用下应力对比分析如表3，工况Ⅰ第二级荷载作用下位移对比分析如表4.分别列出荷载作用下节点的实测应力和位移值，荷载作用下节点的理论值.

表3 工况Ⅰ第二级荷载作用下应力对比分析

表4 工况Ⅰ第二级荷载作用下挠度对比分析

4 结 论

（1）在各种工况荷载作用下，主梁上各控制截面挠度测点在卸载后都能很快恢复到初始值，说明主梁处于完全弹性状态.

（2）桥梁在汽车荷载作用下，各测试截面应力测点校验系数在0.65～1.03之间变化，符合规范要求，实测最大拉应力增量22.048MPa，理论计算最大拉应力增量24.5MPa，实测最大压应力增量13.57MPa，理论计算最大压应力增量15.9MPa，各工况汽车荷载作用下的应力幅值均不大.应力增量实测值均小于理论值，说明桥梁整体刚度较高，满足设计和使用要求.

（3）挠度结构校正系数在0.46～1.02之间，实测最大挠度14.09mm，理论计算最大挠度21.3mm.实测值均小于计算值及规范允许值，表明桥梁竖向刚度满足设计要求.

通过以上分析，该连续钢箱梁桥在试验中处于完全弹性状态，承载能力满足要求，整体刚度较高，说明该桥理论分析和设计计算方法可靠，施工质量优良，使用性能良好.

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

[2]王建华，孙胜江.桥涵工程试验检测技术[M].北京：人民交通出版社，2004．

[3]吴鸿庆，任侠.结构有限元分析[M].北京：中国铁道出版社，2000．