桥梁荷载试验实例分析

刘平

山东省公路检测中心   山东济宁 272000

摘要:由于桥梁检测是保证桥梁安全运营的重要手段,对需要进行检测的桥梁进行了分析,通过荷载试验对桥梁整体受力性能和承载能力是否达到设计及规范要求,为研究桥梁检测与安全性评估方法提供了参考。

关键词:桥梁,荷载,实例,分析

引言：随着我国交通事业的不断发展，采用新结构、新材料、新工艺的桥梁结构日益增多，这些桥梁在设计、施工中必然会遇到一些新问题，其设计计算理论或设计参数需要通过桥梁试验予以验证或确定，在大量试验检测数据积累的基础上,就可以逐步建立或完善这类桥梁的设计理论与计算方法，从而确定结构的实际工作性能与设计期望值是否相符，它是检验结构强度、刚度以及其他性能最直接、最有效的方法，且直观可信，得到技术人员的普遍认可。

1. 工程概况

此桥为（110+180+110）m三跨下承式钢箱系杆拱桥跨越淮河右汊河道，引桥分别跨越淮河南、北大堤、上六坊行洪区、潘集化工园区、阜淮铁路、桥的起讫点桩号为K3+762~K9+081.55，全长5319.5m。

2. 静载试验

2.1.静载加载过程

桥梁静载试验是将静止的荷载作用在桥梁的指定位置上，检测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝、沉降等静态参量的试验项目，然后根据相关规范和规程的指标，判断桥梁结构的承载能力以及在荷载作用下的工作性能。

2.2.模型建立

本桥采用以MIDAS软件计算为主，桥梁博士软件计算为辅的思路进行，并将计算结果与设计计算结果相比较，以便得出较为精确的计算结果。

图4-1-1右汊主桥计算模型

经过分析，确定的7个主要内力控制断面分别为：（1）边跨跨中最大正弯矩断面；（2）边跨L/4最大正弯矩；（3） 边跨拱脚最大轴力断面；（4）中跨跨中最大正弯矩断面；（5）中跨L/4最大正弯矩； (6) 中跨拱脚最大轴力断面；(7) 墩顶纵梁最大负弯矩断面。

对应于这7个内力控制断面，确定7个静载试验工况。(1) 工况1：A截面处最大正弯矩及挠度的偏心加载试验；(2) 工况2：B截面处最大正弯矩及挠度的偏心加载试验；(3) 工况3：C截面处最大轴力的偏心加载试验；(4) 工况4：D截面处最大正弯矩及挠度的偏心加载试验；(5) 工况5：E截面处最大正弯矩及挠度的偏心加载试验；(6) 工况6：F截面处最大轴力的偏心加载试验；(7) 工况7：G截面处最大负弯矩的偏心加载试验。

  标准活载作用下弯矩My包络图（单位kN·m）

各工况荷载效率系数表

桥梁 名称	加载工况	标准荷载理论弯矩值	试验荷载计算弯矩值	试验荷载效率系数
右汊航道桥	工况1（偏载正弯矩）(kN.m)	1486	1428	0.96
	工况2（偏载正弯矩）(kN.m)	2252	2278	1.01
	工况3（偏载轴力）(kN)	2823	2753	0.98
	工况4（偏载正弯矩）(kN.m)	4029	3875	0.96
	工况5（偏载正弯矩）(kN.m)	5834	5622	0.96
右汊航道桥	工况6（偏载轴力）(kN)	4248	4146	0.98
	工况7（偏载负弯矩）(kN.m)	-18528	-18832	1.02

2.3.检测结果

（1）应变检测结果见下表。

工况1  右汊航道桥边跨跨中应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
A-1	-69	-27	-44	-58	-2	-56	0.81	3.45%
A-2	-69	-33	-46	-62	1	-63	0.91	-1.61%
A-3	-58	-24	-39	-53	0	-53	0.91	0
A-4	-58	-21	-38	-54	1	-55	0.95	-1.85%
A-5	12	6	10	11	2	9	0.75	18.18%
A-6	12	4	7	10	0	10	0.83	0
A-7	9	3	5	7	0	7	0.78	0
A-8	9	3	4	7	-1	8	0.89	-14.29%
A-9	-83	-39	-59	-76	-2	-74	0.89	2.63%
A-10	-83	-47	-53	-67	-2	-65	0.78	2.99%
A-11	-70	-33	-49	-62	-2	-60	0.86	3.23%
A-12	-70	-26	-43	-61	3	-64	0.91	-4.92%
A-13	127	48	90	104	2	102	0.80	1.92%
A-14	127	52	81	106	-1	107	0.84	-0.94%
A-15	108	53	68	87	-1	88	0.81	-1.15%
A-16	108	43	70	99	2	97	0.90	2.02%

工况2  右汊航道桥边跨1/4跨应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
B-1	-17	-10	-13	-17	-1	-16	0.94	5.88%
B-2	-17	-5	-8	-12	2	-14	0.82	-16.67%
B-3	-14	-5	-9	-12	1	-13	0.93	-8.33%
B-4	-14	-7	-11	-14	-1	-13	0.93	7.14%
B-5	35	17	22	30	1	29	0.83	3.33%
B-6	35	18	22	30	1	29	0.83	3.33%
B-7	30	11	18	27	-1	28	0.93	-3.70%
B-8	30	11	20	25	1	24	0.80	4.00%
B-9	-23	-9	-15	-19	0	-19	0.83	0
B-10	-23	-8	-16	-19	1	-20	0.87	-5.26%
B-11	-20	-5	-10	-12	2	-14	0.70	-16.67%
B-12	-20	-9	-12	-16	2	-18	0.90	-12.50%
B-13	138	62	83	116	-2	118	0.86	-1.72%
B-14	138	47	91	125	-1	126	0.91	-0.80%
B-15	118	59	83	112	2	110	0.93	1.79%
B-16	118	55	74	99	0	99	0.84	0

工况3  右汊航道桥边跨拱脚应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
C-1	-120	-53	-75	-99	1	-1000	0.83	-1.01%
C-2	-120	-52	-83	-105	0	-105.00	0.88	0
C-3	-103	-57	-66	-98	-2	-96.00	0.93	2.04%
C-4	-103	-45	-68	-96	0	-96.00	0.93	0
C-5	-64	-32	-43	-52	2	-54.00	0.84	-3.85%
C-6	-64	-25	-40	-61	0	-61.00	0.95	0
C-7	-55	-19	-37	-42	1	-43.00	0.78	-2.38%
C-8	-55	-19	-33	-39	3	-42.00	0.76	-7.69%

工况4  右汊航道桥中跨跨中应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
D-1	-94	-37	-61	-70	2	-72.00	0.77	-2.86%
D-2	-94	-41	-68	-90	-2	-88.00	0.94	2.22%
D-3	-80	-39	-58	-67	-2	-65.00	0.81	2.99%
D-4	-80	-35	-55	-62	1	-63.00	0.79	-1.61%
D-5	37	16	23	35	1	34.00	0.92	2.86%
D-6	37	16	26	34	1	33.00	0.89	2.94%
D-7	31	14	20	25	0	25.00	0.81	0
D-8	31	17	23	29	3	26.00	0.84	10.34%
D-9	-124	-50	-76	-116	1	-117.00	0.94	-0.86%
D-10	-124	-68	-83	-103	-1	-102.00	0.82	0.97%
D-11	-106	-48	-67	-91	3	-94.00	0.89	-3.30%
D-12	-106	-47	-63	-95	1	-96.00	0.91	-1.05%
D-13	173	81	117	162	0	162.00	0.94	0
D-14	173	75	108	148	1	147.00	0.85	0.68%
D-15	147	76	91	111	0	111.00	0.76	0
D-16	147	77	94	111	0	111.00	0.76	0

工况5  右汊航道桥中跨L/4应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
E-1	-116	-40	-77	-104	2	-106	0.91	-1.92%
E-2	-116	-45	-81	-106	0	-106	0.91	0
E-3	-99	-48	-60	-81	3	-84	0.85	-3.70%
E-4	-99	-40	-64	-78	1	-79	0.80	-1.28%
E-5	77	29	52	72	2	70	0.91	2.78%
E-6	77	35	49	69	-1	70	0.91	-1.45%
E-7	65	34	43	49	0	49	0.75	0
E-8	65	25	43	60	1	59	0.91	1.67%
E-9	-183	-98	-122	-173	1	-174	0.95	-0.58%
E-10	-183	-73	-120	-138	3	-141	0.77	-2.17%
E-11	-155	-60	-96	-122	1	-123	0.79	-0.82%
E-12	-155	-71	-98	-130	2	-132	0.85	-1.54%
E-13	207	94	133	185	1	184	0.89	0.54%
E-14	207	81	141	172	1	171	0.83	0.58%
E-15	176	62	110	134	1	133	0.76	0.75%
E-16	176	86	111	148	2	146	0.83	1.35%

工况6  右汊航道桥中跨拱脚应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
F-1	-139	-48	-86	-105	3	-108.00	0.78	-2.86%
F-2	-139	-75	-90	-108	-2	-106.00	0.76	1.85%
F-3	-118	-59	-79	-107	3	-110.00	0.93	-2.80%
F-4	-118	-46	-77	-92	-1	-91.00	0.77	1.09%
F-5	-65	-25	-42	-50	1	-51.00	0.78	-2.00%
F-6	-65	-24	-45	-56	0	-56.00	0.86	0
F-7	-56	-21	-36	-50	2	-52.00	0.93	-4.00%
F-8	-56	-28	-35	-50	0	-50.00	0.89	0

工况7  右汊航道桥墩顶纵梁应变比较表

测点 编号	计算值 （µε）	实测值（µε）			残余应变 （µε）	弹性应变 （µε）	校验 系数	相对残 余应变
		一级加载	二级加载	满载
G-1	-213	-88	-143	-188	2	-190	0.89	-1.06%
G-2	-213	-109	-137	-194	0	-194	0.91	0
G-3	-181	-74	-114	-139	-1	-138	0.76	0.72%
G-4	-181	-94	-114	-145	2	-147	0.81	-1.38%
G-5	232	101	149	189	-1	190	0.82	-0.53%
G-6	232	108	164	215	2	213	0.92	0.93%
G-7	198	108	138	164	2	162	0.82	1.22%
G-8	198	92	133	161	1	160	0.81	0.62%

（2）位移检测结果分析

工况1  右汊航道桥边跨跨中挠度比较表

测点编号	计算值（mm)	实测值(mm)			残余变形(mm)	弹性变形（mm）	校验系数	相对残余
		一级加载	二级加载	满载
AL	21.35	11.89	14.45	17.22	0.57	16.65	0.78	3.31%
AR	18.19	8.72	12.54	16.53	0.53	16.00	0.88	3.21%

工况2  右汊航道桥边跨L/4挠度比较表

测点编号	计算值（mm)	实测值(mm)			残余变形(mm)	弹性变形（mm）	校验系数	相对残余
		一级加载	二级加载	满载
BL	18.44	7.50	13.22	16.35	0.31	16.04	0.87	1.90%
BR	15.7	8.11	11.40	15.95	1.04	14.91	0.95	6.52%

工况4  右汊航道桥中跨跨中挠度比较表

测点编号	计算值（mm)	实测值(mm)			残余变形(mm)	弹性变形（mm）	校验系数	相对残余
		一级加载	二级加载	满载
DL	41.79	21.98	26.99	37.85	1.08	36.77	0.88	2.85%
DR	35.59	17.76	22.74	30.57	0.32	30.25	0.85	1.05%

工况5  右汊航道桥中跨L/4挠度比较表

测点编号	计算值（mm)	实测值(mm)			残余变形(mm)	弹性变形（mm）	校验系数	相对残余
		一级加载	二级加载	满载
EL	53.59	23.24	33.42	51.64	0.73	50.91	0.95	1.41%
ER	45.65	17.10	29.89	39.01	0.67	38.34	0.84	1.72%

（3）张力检测结果分析

工况1 右汊航道桥边拱系杆最大张力增量

测试索号	理论值（kN）	实测值（kN）	校验系数
L1#	76	72	0.95
L4#	444	386	0.87
L7#	592	467	0.79
R1#	64	56	0.88
R4#	378	321	0.85
R7#	504	398	0.79

工况4 主拱系杆最大张力增量

测试索号	理论值（kN）	实测值（kN）	校验系数
L1#	75	70	0.93
L6#	225	171	0.76
L11#	496	381	0.77
R1#	63	56	0.89
R6#	191	173	0.91
R11#	422	367	0.87

3. 动载试验
   1. 冲击系数试验结果

桥梁实测冲击系数

测试截面	冲击系数
	10km/h	20km/h	30km/h	40km/h	最大值	理论值
右汊航道桥中跨	0.033	0.040	0.017	0.030	0.040	0.050

3..2.模态试验结果

右汊航道桥实测频率与理论频率

模态阶数	实测频率S/Hz	计算频率J/Hz	S/J	阻尼比
1	1.123	1.003	1.12	7.47%
2	1.837	1.392	1.32	5.90%

4. 裂缝观测

试验过程中对桥梁各主要试验断面典型裂缝进行了观测，未见裂缝明显开展，也未发现有新裂缝产生。

5. 检测结论

  5.1.在试验荷载作用下，挠度观测结果，挠度最大值为50.91mm，小于L/600，均符合规范要求。在试验荷载作用下，挠度观测结果与计算值之间比较以校验系数表达，对于主要控制截面，为0.69～0.95，符合技术规定要求校验系数的要求。

  5.2.在试验荷载作用下，应变观测结果与计算值之间比较以校验系数表达，对于主要控制截面，为0.54～0.94，均符合技术规定要求校验系数的要求。试验最大相对残余应变18.18%，最大相对残余变形7.47%，均小于20%，且在各工况荷载作用下，各主要控制截面均未出现新增可见受力裂缝，各试验跨在试验荷载作用下处于弹性工作状态。

  5.3.动载试验结果表明，模态试验桥梁自振频率实测值略大于理论值，结构动力特性能够满足设计要求；跑车试验、跳车试验时冲击系数实测值处于正常范围，结构动力特性能够满足设计要求。

综合分析认为荷载试验所测指标满足桥梁设计荷载公路-I级的要求。