大跨PC连续梁桥荷载试验研究_周金枝.docx

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1、 总第 276期 2016年第 3期 交 通 科 技 Transportation Science Technology Serial No. 2 7 6 No. 3 Jun. 2016 收稿日期 =2015-12-30 静力荷载试验是指通过在桥梁结构上施加与 设计荷载或使用荷载基本相当的静态外加荷载， 利用检测仪器测试桥梁结构控制部位与控制截面 的力学效应，从而评定桥梁承载能力 2。主要试 验内容为：在静载作用下结构的位移、结构控制截 面的应力分布、外观及裂缝观测。主要试验原则 : 静载试验各工况下所需加载车辆的数量，将根据 设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应 值，按下式所定原则等效换

2、算而得 （ 注：该桥建于 1990年，鉴于设计以及相关要求，静载试验效率 DOI 10. 3963/j. issu 1671-7570. 2016. a 004 大跨 PC连续梁桥荷载试验研究 周金枝 1谢瑛 1张若钢 2 (1.湖北工业大学土木工程与建筑学院武汉 430068; 2.中铁大桥科学研宄院有限公司武汉 430034) 摘要桥梁荷载试验是对大跨度桥梁的承载能力和结构性能进行评价的有效手段。以某大跨 PC连续梁桥为例，利用 Midas软件建立有限元分析模型，依据相关规范规程对该桥进行荷载试验 以及相应的分析，试验数据表明该桥主桥承载能力满足设计要求。 关 键 词 桥 梁 荷 载 试

3、验 承 载 能 力 有 限 元 分 析 应 力 挠 度 为保证桥梁的交通安全并尽可能延长桥梁的 使用寿命，需要对桥梁当前状态下的承载能力进 行评定。桥梁荷载试验是判定桥梁承载力性能最 直接有效的方法之一 1。本文以某大跨 PC连续 梁桥为例，通过试验对该桥承载能力状况与使用 条件做出总体评价。 1桥梁概况 某大跨 PC连续梁桥主桥上部结构为 45 m+ 65 m+14X80 m+65 m + 45 m 联预应力混凝 土变截面连续箱梁，梁体为宽翼缘斜腹板单箱单 室截面。主桥横向为一个单箱结构，主桥梁体为 宽翼缘斜腹板单箱单室梁，主桥箱梁顶板宽 20 m，底板宽 8. 45 6. 68 m， 跨中

4、梁高 2. 4 m， 支点 处梁高 5. 1 m， 全桥梁体施工采用挂篮悬臂浇筑。 桥面布置为 0. 5 m(护栏） +9 m(行车道） + 1.0 m (中央护栏） + 9 m(行车道 ） +0. 5 m(护栏），该桥 桥面车道布置为双向 4车道 （ 非标准），设计荷载： 汽 -超 20级、挂 -120。活载效应按 4车道计算，横 向折减系数 .7(汽 -超 20级）。该桥立面图及断 面图见图 1。 2有限元模型 在荷载试验前，通过 Midas/Civi丨建立桥梁 结构有限元模型，进行结构静力、动力计算分析。 静力分析：计算汽车（或人群）荷载作用下各控制 截面内力，并根据静载试验基本原则，确

5、定各控制 断面加载轮位，输出各试验工况结构效应的理论 数值，以此作为试验参考依据，保证静载试验安全 顺利地进行。动力分析：分析结构的振动主模态， 初步了解结构的振动特性，为动力测点的布置和 实桥模态分析奠定基础。 仿真模型中混凝土主梁采用梁单元，全桥共 划分 427个节点， 426个单元，模型中除 1个支座 为固定支座外，其余均为活动支座，即释放该节点 处的梁端转角和纵向位移，有限元模型见图 2。 3静载试验 12 周金枝等：大跨 PC连续梁桥荷载试验研宄 2016年第 3期 参用公路旧桥承载能力鉴定方法（试行 ）： 0 8 % = Ss/S(l +) 1. 05.3 式 中 为 静 力 试

6、验 荷 载 效 率 ； Ss 为 试 验 荷 载 作 用下，某试验工况最大计算效应值； S为设计标准 活荷载作用下，某试验工况的最不利计算效应值 (1+p)为设计计算取用的冲击系数。 3.1测试截面及测点布置 根据试验跨的结构特点和受力特性 1，并结 合规程要求 3，选取以下试验截面，见表 1。 表 1静载试验测试截面 截面 位置 备注 1-1 边跨跨中 测试活载作用下边跨最 大弯距（挠度 ） 2-2 次边跨跨中 测试活载作用下主梁最 大弯距（挠度 ） 3-3 2 3号墩跨中 测试活载作用下主梁最 大正弯距（挠度 ） 4-4 3号墩顶支点负弯矩 (距墩顶 2.5 m) 测试活载作用下支点最 大

7、负弯距 5-5 13 14号墩 L/4 测试活载作用下 L/4跨 最大正弯距 6V6 13号墩跨支点负弯 矩 （ 距墩顶 2.5 m) 测试活载作用下支点最 大负弯距 考虑到箱梁高度远大于箱壁厚度，将各测试 截面上的应变测点全部布置在箱内，底板测点布 设在底板上表面，顶板测点布设在顶板下表面。 3.2加载工况及效率 由公路桥梁承载能力检测评定规程对试验 项目的原则规定，针对上述结构控制截面，按照有 限元计算的内力包络图和内力影响线结果，确定 试验跨以及静力加载工况如下。 主梁各测试截面的试验荷载效应与标准荷载 效应 对 比 列 于 表 2。由 表 2可 见 ，各 截 面 加 载 效 率均大于规

8、定值 80%，试验满足规范要求。 表 2各截面加载效率（弯矩 kN m、 位移 mm) 工况 试验项目 汽车超 -20 设计荷载 试验 荷载 加载 效率 /% 加载 车辆 14 459 13 400 92. 7 对 1-1断面最大正 (弯矩 ） (弯矩 ） 4 弯矩对称加载 _6. 9 5. 9 85. 5 (位移 ） (位移 ） 对 2-2断面最大正 16 478 15 103 91. 7 弯矩对称加载 11. 9 -10. 3 86. 0 对 3-3断面最大弯 矩对称加载 18 919 -20. 5 17 757 -17. 4 93. 9 85. 0 6 对 5-5断面最大负 弯矩对称加载

9、 -34 170 32 923 96. 4 -10 对 7-7断面最大正 弯矩对称加载 14 359 13 510 94. 1 6 对 8-8断面最大负 弯矩对称加载 35 603 -32 004 89. 9 10 对 1-1断面最大正 弯矩偏心加载 7 230 6 700 92. 7 2 3.3试验结果与分析 3.3.1主梁应力分析 各工况静载试验应力结果见表 3。 表 3荷载作用下截面应力 测点位置 及测点号 最大实 测应力 /MPa 实测应力 平均值 /MPa计算 应力值 /MPa 校验 系数 残余 应变率 /% 顶板 底板 -0.21 -0. 13 0. 19 0. 66 0.81 0

10、. 68 1. 01 0. 67 7 顶板 底板 -0. 35 -0. 33 -0. 36 0. 92 1. 19 0.78 1. 03 0. 76 8 顶板 3 3 底板 - 0. 22 -0.18 0. 26 0. 69 0. 88 0. 74 1. 29 0. 57 5 顶板 0. 35 0. 25 0. 69 0. 36 4-4 底板 1.05 -0. 89 0. 93 0. 95 8 5-5 底板 0. 70 0. 63 0. 65 0. 97 10 顶板 0. 49 0. 41 0. 71 0. 56 6-6 底板 1.05 0. 90 0. 94 0. 96 10 顶板 0. 1

11、8 0. 09 7-7 底板 0. 42 0. 30 12 由表 3可 见 ，实 测 应 力 校 验 系 数 在 0. 54 0.98之间，实测值均小于计算值，梁体强度满足设 计要求，卸载后，残余应变较小，底板残余应变率 均低于 20%，结构处于弹性工作状态。 3.3. 2主梁挠度分析 各工况静载试验挠度结果见表 4。 表 4荷载作用下主梁挠度 mm 工况 测点 位置 上游侧 下游侧 平均值 计算值 校检 系数 1 Li/2 -4. 6 -4. 6 -4. 6 -5. 7 0. 81 2 W2 8. 1 -8.4 -8.3 -10. 3 0. 80 3 W2 13. 2 -11.7 -12.5

12、 -17. 4 0. 71 4 LJ2 _16. 1 15.7 -15.9 -24. 3 0. 65 5 Lu/2 10. 0 9. 5 9. 8 13. 5 0. 72 6 Lu/2 -12. 2 -14. 2 -13.2 -20. 3 0. 65 7 Li/2 -3. 7 -1.2 -2.5 1.48(横向增 大系数 ） 由表 4分析得知，试验荷载下挠跨比均小于 规范限值 （ L/600)， 各测点校验系数在 0. 65 0.81之间，实测结构刚度满足要求。 4动载试验 动载试验是利用车辆荷载（或环境）激起桥梁 结构的振动，然后测定其固有频率、阻尼比、振型、 冲击系数、行车响应等参数，从而

13、判断桥梁结构的 整体动力刚度、行车性能。 4.1脉动试验结果及分析 脉动试验主要测量主桥的自振频率、振型和 阻尼比。脉动试验测点布置见图 3。 2016年第 3期 周金枝等：大跨 PC连续梁桥荷载试验研宄 13 通过对该主桥各测点采集到的脉动信号进行 剪切、滤波、加窗、细化等处理，经频域和时域分 析，得到了主桥梁体竖向低阶弯曲振动频率及相 应振型、阻尼比，如表 5所列。鉴于带通滤波相当 于对频域信号进行非均匀加权，因此表 5中给出 的阻尼比要略小于实际值。从分析结果可以看出 实测低阶频率均大于计算值，表明实际桥梁刚度 满足设计要求。 表 5主桥自振特性 序号 实测频率 /Hz 阻尼比 /% 计

14、算频率 /Hz 振型 1 1. 075 3.587 0. 865 竖向弯曲振动 2 1.150 1. 802 0. 923 竖向弯曲振动 3 1.225 1. 713 1. 002 竖向弯曲振动 4 1. 350 1. 886 1. 115 竖向弯曲振动 5 1.475 1. 995 1.225 竖向弯曲振动 6 1. 575 1. 317 1.297 竖向弯曲振动 7 2.325 1. 750 主梁扭转振动 4. 2冲击系数分析 实测该桥主桥结构基频为 1.075 Hz， 该桥设 计冲击系数取值为 . 5。 2次动挠度测试跑车试 验冲击系数实测冲击系数最大值为 0.07,此时平 均值为 0.

15、 05,等于设计冲击系数值，符合规范 要求。 5 结论 (1) 在试验荷载作用下受力控制断面的实测 应力、挠度值均小于计算值，实测应力在正常范围 之内，梁体强度、刚度满足设计及规范要求。 (2) 各工况卸载后，残余应变及残余变形均 在规范规定的 20%以内，说明结构产生的变形能 够得到恢复，结构处于弹性工作状态。 (3) 实测低阶频率均大于计算值，表明实际 桥梁刚度满足设计要求。上部结构实测自振频率 与理论计算频率的比值大于 1.1，根据公路桥梁 承载能力检测评定规程 (JTG/T J21 2011)，该 桥主桥自振频率评定标度为 1。 (4) 各试验跨实测冲击系数等于设计冲击系 数值，满足设

16、计要求。 参考文献 1 陈 硕威 .中美 公路 旧桥 承载力评 定方 法的 比较 D. 长沙：长沙理工大学 ， 2014. 2 向洪，杨春林，龚江烈 .静载试验评定桥梁承载能力 的问题探讨 J.公路工程， 2013,38(6):217-219. 3 交通运输部第二公路勘察设计院 .公路旧桥承载能 力鉴定方法（试行 ） S.北京：人民交通出版社 , 1998. 4 彭俊杰，张慧，李修君 .桥梁静载试验加载方案研宄 J.中外公路， 2014,34(6):188-190. 5 公路桥梁承载能力评定规程 ： JTGT J21 2011 S. 北京：人民交通出版社 .1998. Research on

17、Load Test of PC Continuous Beam Bridge with Large Span ZHOU Jinzhi1, XIEYing1, ZHANG Ruogang2 (1. School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University Of Technology, Wuhan 430068, China； 2. Bridge Science Research Institute Ltd. , China Railway Major Bridge Engineering Group, Wuhan 430034,

18、 China) Abstract ： Bridge load test is an effective means to evaluate the bearing capacity and structural performance of long-span bridges. Taking a long-span PC continuous beam bridge as an example , the finite element analysis model is established through MIDAS, load test and the corresponding analysis are performed according to the related standards and rules of the bridge, and the experimental data shows that the bridge bearing capacity of the main spans satisfies the design requirements. Key words： bridge； load test； carrying capacity； finite element analysis (FEA)； stress； deflection