曾勇 姜雨航 况杨 余滔 李强

1.重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 400074

2.重庆市涪陵区交通规划与技术发展中心 408000

3.中冶建工集团有限公司 重庆400084

引言

由于我国交通发展愈加迅速，各类型桥梁结构在不同的地形地貌上得以广泛使用［1-3］。钢-混凝土叠合连续梁桥［4-6］区别于传统的钢筋混凝土梁桥，同时拥有钢构桥质量轻与钢筋混凝土梁桥施工方便的优点，并且解决了刚构桥桥面板容易开裂的问题，在跨度较大地山区桥梁［7］中运用广泛。为保证此类型桥梁的可靠性，对其结构刚度、强度的性能研究非常必要。静力荷载试验［8］根据有限元模拟计算拟定测点，将静载施加于已拟定的测点上，通过应变片与水准仪分别提取测点的应力与位移，跟理论计算出的应力值与位移值做比较，从而准确判断在荷载作用下的使用能力与工作性能。刘明东［9］基于传统的荷载试验方法，提出实测桥梁结构柔度矩阵方法，提高了对桥梁承载力评估的准确性。曹小博［10］通过对钢混叠合梁负弯矩区模型分析与理论计算，详细地讲述了钢-混凝土叠合连续梁桥受弯承载力与弹性极限弯矩的计算方法。

本文以某钢-混凝土叠合连续梁桥为研究基础，通过荷载试验，得到不同偏载工况下主跨测试界面的应力应变及位移，与由有限元分析［11］建立的理论模型计算值做计算处理，验证桥梁在荷载作用下的工作性能与承载能力。为同类型桥梁结构评估提供试验实践经验。

1 工程概况

山区基5 跨钢-混凝土叠合连续梁桥。桥梁总长110.08m，桥面有横纵坡，横坡数值为双向2%，纵坡数值为单向-0.744%，桥梁全宽8.9m。桥梁跨径布置分别为3.04m（桥台）＋16m ＋3 ×24m＋16m ＋3.04m（桥台）。桥梁横断面布置分别为0.45m（栏杆）＋6m（行车道）＋2m（人行道）＋0.45m（栏杆）。下部结构以柱式墩作为基础，桥台均使用柱式台结构。此桥设计汽车荷载为公路—Ⅱ级，人群荷载取3.5kN／m2。该桥布置如图1所示。

图1 钢-混凝土叠合连续梁桥布置Fig.1 Layout of steel-concrete composite continuous girder bridge

2 静力荷载试验

2.1 模型计算荷载

根据现有资料，参考文献［12，13］利用有限元软件MIDAS／Civil 2020 进行模拟分析，演算时，钢主梁模拟为梁单元，混凝土桥面板模拟为板单元。荷载类型主要选取车辆荷载与人群荷载。车辆荷载分为满布于车道的均布荷载与作用于桥跨跨中的集中荷载，人群荷载为满布于人行道的均布荷载，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），车辆均布荷载取7.35kN／m，集中荷载取308kN，人群均布荷载取3.13kN／m。将荷载布置于最不利面上，并且考虑冲击影响对桥梁结构的作用。模型计算得到每跨主梁的位移值和应变值，作为静力试验的控制内力依据［14］。有限元计算模型见图2。

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element calculation model

2.2 荷载试验测试方法

荷载试验测试方法如下：

（1）挠度均使用测试分辨率为±0.01mm 的精密水准仪测量，挠度测点布置于截面上下游两侧，各边布置12 个测点。

（2）此桥主梁为钢混叠合梁，故应力测试截面应布置于钢梁底部，测量使用的应变片和静态应变仪的测试分辨率为±1 ×10-6。全桥设置3个应力测试截面。

（3）初步使用肉眼观察测试截面裂缝情况，对较大裂缝处使用仪器测量缝宽。

2.3 测点布置

1.挠度测点

为研究加载静力荷载后桥梁结构的位移情况，考虑现场条件及桥梁横坡2%、纵坡-0.744%的影响，在桥跨最不利荷载面上下游两端分别布置10 个测点，每截面设置2 个测点。挠度测点立面和平面布置如图3 所示。

图3 挠度测点布置Fig.3 Layout of deflection measuring points

2.应变测点

应力（应变）测试截面位置由有限元分析模型计算确定，为避免局部加强点对试验结果产生影响，不在局部加强位置设置测试截面。详细测试截面位置见表1 及图4a，J1、J3 应变测试截面布置及应变片编号见图4b，J2 应变测试截面布置及应变片编号见图4c。应变片系列、规格均相同。

图4 应变测试截面位置、 布置及编号Fig.4 Location，layout and numbering of strain test section

表1 应变测试截面汇总Tab.1 Summary of strain test section

2.4 试验荷载

此次静载试验选取三轴车作为静力荷载，试验加载车型见图5，详细试验加载车规格见表2。

表2 加载车规格Tab.2 Loading car specifications

图5 试验加载车型示意Fig.5 Schematic diagram of test loading vehicle

2.5 荷载布置

静力荷载试验现场应严格确认每辆车的质量，并按照试验要求确定各车辆排列位置，共组成3 类工况的加载，工况1 ～3 静载布置如图6所示。工况1 为J1 截面最大正弯矩左侧偏载、J2截面最大负弯矩左侧偏载，工况2 为J3 截面最大正弯矩左侧偏载，工况3 为J1 截面最大正弯矩右侧偏载、J2 截面最大负弯矩右侧偏载。

图6 各工况车辆布置Fig.6 Vehicle layout in various working conditions

2.6 试验荷载效率

本桥的加载方式为载重汽车，为保证桥梁结构的刚度、强度及工作性能，试验荷载效率系数应处于0.85 ～1.05 之间。详细工况荷载效率计算结果见表3。

表3 各工况荷载效率系数Tab.3 Load efficiency coefficient of various working condition

3 试验结果

3.1 挠度测试结果

由有限元分析模型计算出的主梁挠度值，与在现场车辆加载实测的主梁挠度值相比，比值的大小可判断桥梁挠度是否符合标准规范。由于工况2、3 数据展现的结论与工况1 较为类似，限于篇幅，只列出工况1 的数据情况。工况1 上、下游侧挠度实测值与计算值对比见图7。

图7 工况1 上、 下游侧计算挠曲线与实测挠曲线对比Fig.7 Comparison of calculated deflection curves and measured deflection curves on the upstream and downstream sides of working condition 1

分析图7 实测挠曲线与计算挠曲线的位置情况，可知计算挠曲线包络住实测挠曲线，表明测试截面梁跨位移符合相关规范规定。实测挠曲线光滑连续，且与理论挠曲线曲率与变化率基本一致，表明工况1 桥梁挠度变化与有限元模型计算一致，桥梁结构整体变形合理。

3.2 应力测试结果

在拟定的静力荷载加载情况下，分别收集钢-混叠合梁中钢梁应变与混凝土桥面板应变数据值，由于工况2、3 数据比较结果与工况1 数据比较结果较为类似，限于篇幅，只展示工况1的数据情况。测试截面应变与计算应变的比较见表4、表5。

表4 J1 截面实测应变与计算应变的比较（工况1）Tab.4 Comparison of measured strain and calculated strain of J1 section（working condition 1）

表5 J2 截面实测应变与计算应变的比较（工况1）Tab.5 Comparison of measured strain and calculated strain of J2 section（working condition 1）

分析工况1 实测应变与计算应变可知，测试截面上下游两侧端部应变很小，几乎可以忽略不计。测试截面钢梁上缘与混凝土板下缘实测应变值跟计算应变值差距较小，且实测应变值小于计算应变值，表明桥梁工作性能良好。校验系数处于0.54 ～0.95，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。依据文献［15］，卸载后的残余应变处于合理范围。

3.3 裂缝观测结果

经观测，测试界面施加静力荷载前后均未发现明显裂缝。

3.4 结构刚度分析结果

为了更加便利地比较桥梁挠度实测值与计算值，用以验证结构刚度是否满足相关规范规定，将各工况测试截面挠度变化汇总于表6。

由表6 可知，各工况理论模型计算挠度值大于静力荷载试验实测挠度值，表明桥梁正常工作时位移正常。静力荷载试验实测挠度最大增长量为11.5mm，为桥梁计算跨径的1／2087，满足相关设计规范的要求。卸载后，残余应变最大值为17.7%，处于合理范围。

表6 各工况测试截面挠度变化Tab.6 Changes in deflection of test sections under various working conditions

综合分析，桥梁的正常工作性能良好，结构刚度能得到保证。

3.5 结构强度分析结果

为了更加便利地比较各测点钢梁与混凝土板的应力值与理论计算应变值，用以验证结构刚度是否满足相关规范规定的要求，将各工况钢梁与混凝土板应变检测结果汇总于表7。

由表7 可知，各工况测试截面钢梁有限元模型计算应力值大于静力荷载试验实测应力值，且卸载后残余应变也在合理范围之内。混凝土板实测应力值与钢梁实测应力值相比较小，最大拉应力0.59MPa，最大压应力1.04MPa，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG／T J21-01—2015）的要求。

表7 测试截面应力检测结果汇总Tab.7 Summary of stress detection results of test section

综合分析，桥梁受静载作用应力应变值正常，处于弹性工作阶段，结构强度能得到保证。

4 结语

本文通过对某钢-混凝土叠合连续梁桥做静力荷载试验，对比有限元模拟计算与静载试验实测结果，综合各种因素得出以下结论：

1.加载静力荷载后，各工况测试截面挠度最大值均小于有限元模型计算值，且挠度校验系数处于0.72 ～0.99 之间，在正常范围之内。卸载后，静力荷载试验测得的最大残余变形为17.7%，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21—2011）的要求。荷载试验实测挠曲线光滑连续，且与理论挠曲线曲率和变化率基本一致，桥梁结构整体变形合理，正常工作性能良好，结构刚度满足相关设计、规范规定要求。

2.加载静力荷载后，各工况实测钢梁与混凝土板应力小于理论计算值，桥梁结构处于弹性工作阶段，结构强度满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21—2011）要求。

3.静力荷载加载前后，试验测点处未观测到明显裂缝。

综上，可认为桥梁工作性能良好，受力状态合理，结构刚度、强度均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21—2011）的要求。