陈海金， 靳帮虎， 罗家峰

(武汉华夏理工学院 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430223)

0 引 言

桥梁病害的产生往往导致结构承载能力下降，例如2011年7月武夷山公馆大桥吊杆锚固端脱落导致的桥梁倒塌，2019年10月江苏无锡高架桥因超载导致桥梁倾覆。近年来，我国的工程技术人员在积极开展桥梁承载力评估的研究，如黄先斌等[1]对强震下桥梁承载能力的研究，梁玉钊等[2]建立了基于恒载、活载和结构抗力的中小跨径桥梁承载力评价指标体系，这些工作逐步积累，成了我们当前桥梁检测领域的宝贵经验。公路桥梁界现已完善了多部规范[3-6]，它们成为桥梁检测工程的参照标准。在桥梁检测行业中，一般是运营测试手段，对桥梁结构的整体或主要部件进行检测，了解桥梁结构及其部件的工作状态和承载能力，以验证桥梁结构的设计计算理论，检验施工质量和发现运用中存在的问题等。对于连续梁桥的检测，利用荷载试验测试的内容包括内力测试、各种应力、挠度、变形、位移、支撑反力等。本文运用有限元软件MIDAS模拟静载试验，得到了桥梁挠度与应变的理论值，同时对桥梁进行现场荷载试验，得到桥梁挠度与应变的实际值，通过理论值与实际值计算出桥梁校验系数，由此判断桥梁的工作状态。动载试验用于了解桥梁的动力特性和抵抗受迫振动与偶然荷载的能力，其测试内容包括桥梁结构自身的自振频率、振型和冲击系数等。通过对比分析计算与试验结果，检查桥梁当前的状态及其承载能力，以确保桥梁的使用安全。

1 工程概况

本项目为宜昌市花溪路等高度连续箱梁桥，衔接柏临河路与汉宜高速铁路。桥梁宽度为13.0 m。桥面铺装为沥青混凝土，钢管混凝土栏杆。上部结构为4跨等高度连续箱梁，跨径组合为4×25 m。下部结构为钢筋混凝土墩柱及承台桩基础，支座形式为盆式支座。该桥设计荷载为城—A级，单幅3车道。桥梁结构剖面、平面、立面基本尺寸如图1～图3所示。

图1 桥梁横断面图(单位：cm)

图2 桥梁平面布置图(单位：m)

图3 桥梁纵断面图(单位：m)

2 有限元建模分析

计算采用有限元软件MIDAS Civil建立桥梁结构模型，添加边界条件，最后将实际荷载等效作用于桥梁模型上，对桥梁进行计算分析。计算模型及分析如图4～图5所示。

图4 桥梁模型图

图5 设计荷载下最大正弯矩包络图

图6 设计荷载下最大负弯矩包络图

通过MIDAS Civil进行模态分析，该桥的一二阶振型如图7、图8所示。

图7 第一阶振型图

图8 第二阶振型图

由图7、图8可知，桥梁在静载试验下最正弯矩理论值为5 630 MPa，出现在边跨跨中位置；最大负弯矩理论值为3 862 MPa，出现在边跨支点位置。桥梁在动载试验中前两阶振型的频率为4.52和5.17。

3 静载试验

3.1 荷载工况

为了满足桥梁承载能力鉴定的要求，应选择反映桥梁结构最不利受力状态的荷载试验工况。依据《公路桥梁荷载试验规程》要求，本次静载试验共设置6个试验工况，见表1。

表1 试验工况表

测试截面如图9所示。

图9 测试截面布置图

测点的布置需要遵循必要、适量、方便观测的基本原则。本桥型属于连续梁桥，连续梁桥的测点布置应是：跨中挠度、支点沉降、支点截面应变。应变测点如图10、图11所示，挠度测点如图12～图14所示。

图10 截面A/C 应变测点布置图(单位：m)

图11 截面B/D 应变测点布置图(单位：m)

图12 桥面挠度测点立面布置(单位：m)

图13 桥面挠度测点横截面布置(单位：m)

图14 桥面挠度测点平面布置(单位：m)

3.2 加载方式

静载试验采用的加载方式为加载车加载。加载车采用三轴车，三轴车轴距、轴重如图15所示。由于加载车较重，试验时应逐级加载，并在每一级加载后观测数据及桥梁状况，未发现异常时方可继续加载。

图15 试验加载车型图(单位：cm)

3.3 试验结果

静力试验荷载效率表示为：

式中：Ss为静载作用下，某一荷载工况所对应的加载控制截面的内力最大计算效应值或位移最大计算效应值；Sg为荷载产生的同一加载控制截面内力或位移的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数值；ηq为静载试验荷载效率，对应交工验收应介于0.85～1.05。

图16中，工况一至工况六均达到静载试验荷载效率0.85<ηq<1.05，因此六种工况的静载试验加载效率系数均满足要求。

图16 六种工况的校验系数表

各工况测量内容见表2。

表2 各工况测量内容表

对静载试验进行结果校验，试验荷载作用下测点的应变实测值与应变计算值的比值称为校验系数：

当ξ<1时，代表桥梁的实际状况要好于理论状况；反之则说明结构工作性能较差，应根据实际情况降级使用，限速限载并进行加固或改建。

在最大试验荷载作用下，最大应变及挠度的校验系数如图17所示。

图17 最大应变及挠度的校验系数

通过图17可知，A截面、B截面、C截面、D截面在最大试验荷载作用下，最大应变及挠度的校验系数均小于1，同时各工况下的残余变形及残余应变也小于0.2。桥梁的实际状况要好于理论状况。

4 动载试验

动载试验的试验内容主要包括试验荷载以不同速度通过试验桥梁进行动应变、动位移、竖向和横向振动的测定，以了解结构的动力系数、振动特征(振幅、频率、模态振型、阻尼比)等，据以判断结构在动载作用下的工作状态。

4.1 自振频率

实际测得桥梁一阶自振频率为5.86 Hz，大于理论值4.52 Hz，表明桥梁整体刚度大于理论计算值。采集到的振动信号曲线如图18～图19所示。

图18 重车匀速通过测试梁桥时的典型时域

图19 重车匀速通过测试梁桥时的频遇曲线

4.2 阻尼比

平均对数衰减率计算和阻尼比计算公式为：

经检测和计算，本桥梁的平均对数衰减率为0.183，本桥的阻尼比为0.028。

4.3 冲击系数

采用加载车分别以30 km/h、40 km/h、50 km/h匀速通过待检测孔跨，利用动应变传感器测出跑车对桥梁造成的影响，进而通过分析得出冲击系数。不同速度跑车振动信号曲线如图20～图22所示。

图20 30 km/h跑车振动信号曲线图

图21 40 km/h跑车振动信号曲线图

图22 50 km/h跑车振动信号曲线图

冲击系数计算公式为：

计算可得各行车速度下桥梁结构的冲击系数值，见表3。

表3 冲击系数测定值

上述测得的冲击系数数值在允许范围内，说明此连续箱梁桥桥面平整度较好，桥面状况较好。

5 结 论

本文对于桥梁静载试验和动载试验具体结果如下。

5.1 静载试验结果

(1) 线性关系：所测桥跨结构 的应力值与荷载呈现出比较好的线性关系，在卸载后桥跨残余应力小于规定值，表明桥跨上部结构处于弹性工作状态。

(2) 校验系数：各工况应变和挠度校验系数均小于1，满足规范要求。

(3) 残余挠度与残余应变：各工况主要测点相对残余应变比小于0.20，桥梁弹性状态良好，满足规范要求。

静载试验结果表明，目前宜昌市花溪路(柏临河路-汉宜路)市政工程右幅三联4×25 m等高度连续箱梁桥试验跨可满足城—A级荷载的正常使用要求。

5.2 动载试验结果

(1) 自振频率：通过桥梁动载试验，得到桥梁实测基频为5.86 Hz，大于理论值4.52 Hz，表明结构实测刚度满足需求。

(2) 冲击系数：30 km/h、40 km/h、50 km/h的行车荷载试验冲击系数实测值为1.21～1.25，均在允许范围内，表明桥梁桥面状况良好。

动载试验结果表明，目前宜昌市花溪路(柏临河路—汉宜路)市政工程右幅3联4×25 m等高度连续箱梁桥的整体刚度满足规范要求，试验跨动力性能满足要求。