直腹板带翼箱梁桥荷载试验研究与承载力评定

2020-05-18段宇王保兵

工程技术与管理 2020年3期

段宇王保兵

1．云南省交通投资建设集团有限公司昭通管理处，中国·云南昭通 657000

2．云南通衢工程检测有限公司，中国·云南昆明 650000

为评价中国省道S101 线昭阳至永善公路改建工程K111+409．5 桥的受力状况与工作性能，该桥是一种新型结构形式桥，其上部结构为直腹板带翼箱梁，具有一定的科研试验性。通过静动载试验研究其真实受力状况，静载试验是在相应的测试截面按照试验荷载效率合理布载并测试主梁各截面相应测点应力和位移；动载试验是通过模态试验和跑车试验来测试该桥的固有频率、阻尼比和冲击系数。结果表明：该桥主拉应变校验系数、挠度和应变校验系数均未超出标准容许值1，桥梁实际工作性能很好，相对残余应变和残余挠度最大值分别为9．36%和2．21%，都未超出标准容许值20%，桥梁整体处于弹性变形阶段；在动力荷载作用下，桥梁第1 阶竖向自振频率为4．883，阻尼比为0．005%，应变测试所得冲击系数在1．07～1．26 之间，竖向实测的频率大于理论计算频率，桥梁整体结构刚度满足设计要求。

直腹板箱梁；荷载试验；校验系数；动力荷载

1 引言

随着中国经济的快速增长，道路交通行业得到飞速的发展，桥梁作为交通运输的咽喉，其使用功能的正常与否直接关系到整条公路的运行。为保证箱梁桥成桥后的正常运营，需要对箱梁桥进行荷载试验与承载力评定来确定桥梁的真实受力状况。

目前，全球许多的学者已对箱梁桥荷载试验研究与承载力评定研究，并取得了一定的研究成果。Demeke B．Ashebo[1]对斜交小箱梁动力特性试验分析；Khalim，Mohse[2]等对中间隔板多室箱梁桥的荷载试验与横向荷载分布系数的研究；Dereck J．Hodson[3]对箱梁桥进行了荷载试验和有限元模拟分析的研究；钱寅泉[4]对装配式小箱梁桥荷载横向分布数值分析与荷载试验的分析研究；杨美良、石恩崇等[5]对组合式小箱梁桥基于荷载试验对荷载横向分布的研究；周勇军[6]对箱梁桥荷载试验和加载车辆的研究。但是目前国内针对直腹式带翼箱梁桥的荷载试验研究却鲜有文献提及。因此，开展此课题的研究具有应用价值。

论文以K111+409．5 中桥为依托工程，该桥位于省道S101 线昭阳至永善公路改建工程项目莲峰至黄华丫口段。上部结构是30m+16 m 的预应力混凝土带翼箱梁，下部结构包括的桥墩为双圆柱式墩、其基础设有钻孔灌注桩；两岸桥台均为重力式桥台，设计荷载为公路-II级。桥面宽度：2x0．5m（护栏）+8m（行车道）=9m，R=800m的右偏圆曲线位于桥平面上，桥面设有2%的双向横坡，纵断面设有4%的纵坡；墩台径向布置；全桥有2 个伸缩缝。

利用MIDAS/Civil 建立该桥梁格模型模拟公路-II 级荷载并进行分析，在静力荷载下测试上部结构每个截面测点的应力和位移值，分析和对比各测试面相应测点的应力和位移值是否符合设计规范。

2 桥梁静载试验

2.1 静载试验原则

静载试验主要测试桥梁上部主体结构各控制截面测点的应变、位移、卸载完的残余应变和残余变形[7]，综合评价桥梁主体结构性能。采用汽车荷载模拟设计荷载，在主体结构控制截面内力影响线最不利位置加载，使其试验荷载效率系数在0．85～1．05 之间。根据计算分析确定该桥静载试验需2 辆45T 双后轴特重车，试验车满载时轴重、轴距如图1所示。

图1 试验车

应变测试：应变片布于相应测试面的箱梁底部和箱梁腹板，其电阻为120Ω，灵敏度系数为2．08，标距为10cm，运用DH3819 无线静态应变测试仪采集并分析试验数据。

挠度测试：在各控制截面箱梁底部，采用悬挂钢丝+吊锤+百分表的方法，既在测试截面梁底部中间设置挂钩，在挂钩上悬挂钢丝，钢丝底部悬吊重锤，重锤下面架设百分表，重锤通过固定支架来约束，如图2所示。

图2 挠度测试装置示意

2.2 测试截面及测点布置

根据受力最不利的原理，选1#跨作为测试跨，主要测试1#跨J1、J2 和J3 截面各主梁的应力以及变形情况，测试截面布置如图3所示；在每个控制面梁的底部和侧面布设相应的应变点，沿大里程方向，从左往右，J1 断面布设14 个应变点、J2 断面布设8 个应变点，其中J2 断面腹板没有应变点、梁端剪力J3 断面布设4 个应变点，具体布置如图4所示。

图3 测试面布置图（单位：cm）

图4 测试面应变和挠度测点布置图（单位：cm）

2.3 荷载布置与测试工况

在1#跨的J1、J2 和J3 三个截面依次进行加载，每一截面加载车沿横向布置2 辆车，加载方式分为中载和偏载，其中梁端剪力截面加载方式为偏载。结构计算按特载45T 在最不利位置布载，取控制截面最大正弯矩和梁端最大剪力作为加载截面的控制值，荷载流程详见表1。

表1 荷载试验流程

2.4 静载试验效率

为了满足设计荷载效应的要求，试验车的数量和轴重是根据控制内力等效原则来选择，使得静载效率ηq介于0．85～1．05，测试前对试验车辆进行称重。按式（1）[7]计算：

在试验加载分析时，考虑2 车道荷载，设计荷载中已考虑了冲击系数，但不考虑横向折减。通过加载位置、加载吨位等调整控制静载效率ηq介于0．85～1．05，该桥静载效率值详见表2。

表2 静载荷载效率系数

2.5 试验结果分析

2．5．1 应变测试结果分析

在试验荷载作用下，应变校验系数在0．70～0．90 之间，表明桥梁结构强度是符合设计要求，桥梁整体工作性能良好；相对残余应变值小于9．36%，小于文献[7]规定的20%，说明该桥整体刚度有一定余度，上部结构处于弹性变形；在受力作用下各测试截面无异常，桥梁整体处于正常受力状况。

根据应变测试的结果，将每个测试点的弹性应变与理论弹性应变绘制成图5所示。

图5 各工况下理论与实测弹性应变对比曲线

从图5 可知，在试验荷载下，各测试面的实测应变值与理论计算值沿桥横向变化规律是一致的，且测试值均小于理论计算值，说明该桥横向力传递正常，桥梁整体刚度分布相对均匀。

2．5．2 梁体侧面应变测试结果

在试验荷载下，2#梁腹板的应变数据如表4所示，根据测试应变沿梁高度的分布，分析2#梁体中性轴的高度及工作状况，如图6所示。

表3 梁体侧面实测应变-梁高比较

图6 实测弹性应变-梁高分布图

由图6 分析可得，2#梁体测试应变值沿梁高的变化具有良好的线性关系，梁腹板截面的变形符合平面假设，说明2#梁在车辆荷载下处于弹性变形阶段。根据线性回归方程可得，2#梁体的实测中和轴距离梁底距离为107．34cm，理论中和轴高度为99．6cm，出现偏差的原因是桥面铺装、混凝土护栏等参与受力有关，属于正常现象。

2．5．3 梁端抗剪截面测试结果

在各荷载作用下，J3 测试面2#梁每个测试点主拉应变测试值与理论计算值的比较如表4所示。

表4 实测主拉应变值与理论值的比较

由表4 可见，2#梁的J3 剪力截面4 个应变测试点的主拉应变校验系数介于0．45～0．63，满足文献7]中校验系数＜1的要求；在试验过程中，对各测试截面附近进行肉眼观察，未发现肉眼可见裂缝，说明梁端抗剪承载力满足设计要求。

2．5．4 挠度测试结果分析

在各工况下，挠度校验系数介于0．73～0．92 之间，挠度实测值的最大变形为8．21mm，为计算跨径（29．40m）的1/3581，表明结构的刚度有一定富余度；大部分测量点的残余变形值都为0，表明该桥变形恢复较好，少数测量点具有残余变形，最大相对残余变形为2．21%，整体结构处于弹性阶段和正常受力状况。

根据挠度测试结果，将各测点的测试弹性挠度值与理论弹性挠度值绘制成图7所示。