大跨徑變截面預應力連續梁橋靜動載試驗及分析

張軍飛 ZHANG Jun-fei

（安徽省公路橋梁工程有限公司，合肥 230031）

1 工程概況

谷河特大橋全長1247m，雙幅布置。其中主橋長220m，引橋長1027m。主橋采用60m+100m+60m 預應力混凝土連續梁橋，雙幅布置，該橋設計荷載：公路-Ⅰ級，分幅橋面凈寬：0.5m（護欄）+0.5m（路緣帶）+3.0m（硬路肩）+3.75m×3（車行道）+0.5m（路緣帶）+0.5m（護欄）=16.25m，該橋2021 年建成。

2 檢測目的

本次檢測為交工前的質量檢測，通過靜載試驗、動載試驗，檢測試驗橋跨結構的承載力、結構變形及正常使用狀態是否滿足設計要求。受檢橋跨結構的動力特性和動力響應性能是否正常。真實客觀地反映工程質量情況，為交工驗收、運營、養護管理提供科學的依據。

3 主要檢測內容

3.1 靜載試驗

相應測試工況下，試驗橋跨測試截面應力（應變）檢測；相應測試工況下，試驗橋跨測試截面撓度檢測；相應測試工況下，試驗橋跨測試截面附近裂縫監測；試驗加載過程中，異常現象出現。

3.2 動載試驗

動力荷載試驗是為了測定橋梁結構的自振特性或在動力荷載作用下的受迫振動特性，通過動載試驗評定該橋的行車性能以及行車安全性和舒適度。本次動力荷載試驗主要測試內容有：動載試驗是測量橋梁結構在動載下的自振特性或受迫振動特性，通過動載試驗評價橋梁的行車性能、行車安全性。本次動載試驗的主要試驗內容如下：①上部結構的動力性能：自振頻率；②汽車負載下的跑車測試：動態響應和沖擊系數；③汽車負載下的剎車試驗：動態響應和沖擊系數；④結構的模態。

4 有限元模型的建立

谷河特大橋主線橋左右幅相同，在Midas Civil 2021中只對左幅建立有限元模型，主梁用懸臂法建模助手進行建立，再對梁段離散，最后用PSC 建模助手修改截面，使截面的變化符合設計要求的變化規律，通過Midas CDN 2021 建立加載方案。在建模的過程中假定：①混凝土為理想彈性材料；②不考慮橋面鋪裝對橋梁抗彎能力影響，僅作為荷載轉化為質量，考慮其對基頻的影響；不考慮鋼筋對截面剛度的貢獻；③符合平截面假設。

5 試驗方案

5.1 設計控制荷載

按照設計荷載（公路-Ⅰ級），用三車道進行縱向布載，考慮沖擊系數的控制截面的內力值（彎矩）并以此作為測試加載的依據。計算在公路-Ⅰ級荷載作用下各控制截面的最大內力，并根據該沽河特大橋該位置的縱向影響線，通過測試試驗車進行等效加載，使加載效率達到規范要求。

5.2 試驗荷載

以設計正常使用移動荷載作為加載控制載荷，按控制斷面內力（彎矩）等效原理進行載荷分配，并使控制截面的試驗荷載效率滿足檢測規程的要求。試驗車輛規格以及數量根據結構分析以及荷載等效計算結果確定。正式試驗前，對所有裝載車輛進行稱重，并根據試驗車輛的實際稱重結果對車輛進行分組，并確定車輛在各種裝載條件下的裝載位置，以保證試驗效率是在合理的范圍內。

采用標準三軸載重汽車加載，單輛載重汽車總重為35t，車輛信息及軸重見表1 所示。

表1 加載車輛規格、數量要求（三軸車）

5.3 靜載試驗應變測試截面和測點布置

根據委托合同和沽河特大橋的受力特性，應力測試截面選邊跨最大正彎截面K1、墩頂最大負彎截面K2、中跨最大正彎截面K3，靜載試驗測試截面布置見圖1，截面靜應變測點布置見圖2。

圖1 靜載測試斷面位置示意圖（單位：cm）

圖2 K1~K3 斷面靜應變測點布置示意圖（單位：cm）

5.4 靜載試驗撓度測點布置

按照連續梁結構受力特性，撓度測試截面選取邊跨最大正彎截面K1、中跨最大正彎截面K3，撓度測點見圖3。

圖3 K1、K3 斷面撓度測點布置示意圖（單位：cm）

5.5 動載試驗測試截面和測點布置

按照連續梁結構受力特性，動力響應和動力特性測試截面選取截面K1、K3，動應變點和靜載荷試驗應變點相同，具體見圖2。按照連續梁結構受力特性，模態測試測點選擇邊跨4 分點和中跨8 分點，共13 個測點，測點布置示意圖見圖4，其中D7 為不動點。

圖4 模態測試測點布置示意圖（單位：cm）

5.6 各工況加載效率及車位布置

根據谷河特大橋靜載測試內容和谷河特大橋結構計算分析的結果，制定靜載試驗工況如下。控制截面在設計荷載作用下的內力值見表2 所示。

表2 試驗截面在設計荷載作用下的內力計算值

5.7 谷河特大橋靜力試驗各加載工況荷載布置見圖5～圖7。

圖5 K1 截面最大正彎矩加載車平面布置圖（單位：cm）

圖7 K2 截面最大正彎矩加載車平面布置圖（單位：cm）

6 靜載試驗數據處理

6.1 靜載試驗結果 荷載按照預定的順序分三級逐次加載，并對試驗測試值與分析計算值進行比較，在6 個試驗工況荷載作用下，谷河特大橋相應控制截面上主要測點應變和撓度計算值、實測值及校驗系數、殘余值及相對殘余見表3～表4；在各工況試驗荷載作用下，對谷河特大橋左幅各觀測截面附近梁體的混凝土外表面做了仔細觀察，未發現新增可觀測裂縫等異常現象。

表3 各工況滿載下校驗系數匯總表（左幅）

表4 各工況滿載下校驗系數匯總表（右幅）

圖6 K3 截面最大正彎矩加載車平面布置圖（單位：cm）

6.2 動載試驗結果 動載試驗是利用一定的激振方式對橋梁結構進行激振，測量其固有頻率、動力響應系數等參數，從而判斷橋梁結構的整體剛度、動力特性和性能。根據谷河特大橋特點和現場條件，動載試驗主要進行脈動試驗和行車試驗，測試結果見表5。

表5 動載試驗結果匯總表

7 檢測結論

在靜載工況1～工況6 試驗荷載下，谷河特大橋左右幅主要測點撓度和應變實測值均小于理論計算載值，校驗系數小于1，卸載后相對殘余變形在20%范圍內，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）的要求，說明橋跨結構豎向剛度滿足要求，橋跨結構處于彈性工作狀態。谷河特大橋左幅一階垂直振動頻率的實測值為1.465Hz，大于其相應的理論計算值1.017Hz，說明谷河特大橋左幅主橋結構的整體剛度正常，各跑車工況下，橋梁受檢橋跨各截面實測沖擊系數最大值為0.042；谷河特大橋右幅一階垂直振動頻率的實測值為1.440Hz，大于其相應的理論計算值1.017Hz，說明谷河特大橋右幅主橋結構剛度正常，各跑車工況下，橋梁受檢橋跨各截面實測沖擊系數最大值為0.045。綜上判斷，谷河大橋左右幅受檢橋跨結構的動力特性和動力響應性能正常。谷河特大橋左右幅結構強度、剛度符合交通部頒發的《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）和《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中所規定的要求，其現有承載能力滿足設計荷載標準：公路－Ⅰ級荷載作用下的正常使用要求。

8 建議

根據現場檢測情況，建議如下：①為保證橋梁結構在營運期間的安全性和耐久性，建議相關部門加強對通行車輛的管理，嚴格按照設計荷載進行限載通行；②根據《公路橋涵養護規范》（JTG H11-2004）進行養護。