The Bearing Capacity Analysis of Pre-stressed Concrete T-shape Beam Bridge Based on Load Test
郭艳明 GUO Yan-ming；江浩 JIANG Hao；刘亚非 LIU Ya-fei；徐小剑 XU Xiao-jian
（衢州市公路管理局，衢州 324000）
（Quzhou Highway Administration Bureau，Quzhou 324000，China）
摘要：新建桥梁和进行了加固或改建后的桥梁，可通过荷载试验来检验桥梁结构的使用状态和承载能力是否符合设计要求。文中以衢州某新建预应力混凝土T型梁桥为例，介绍了该桥竣工前荷载试验的方案及过程，将实测试验数据与理论计算结果加以对比分析，对桥梁的实际承载能力作出评价，为类似项目交竣工验收提供技术依据。
Abstract: New bridges and reinforced or reconstructed bridges can be tested by load tests to see whether the use state and carrying capacity of bridge structures meet the design requirements. Taking a newly-built prestressed concrete T-beam bridge in Quzhou as an example, this paper introduces the scheme and process of load test before completion of the bridge, compares and analyzes the actual test data with the theoretical calculation results, evaluates the actual bearing capacity of the bridge, and provides technical basis for the acceptance of similar projects.
关键词： 桥梁；荷载试验；预应力混凝土T型梁桥；承载能力
Key words: bridge；load test；pre-stressed concrete T-shaped beam bridge；the bearing capacity
中图分类号：U446.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0146-05
0 引言
随着我国经济的持续迅速发展，交通运输事业迎来了辉煌灿烂的发展时期。由于早期公路桥梁设计标准普遍偏低，且长期缺乏必要的养护维修，加上交通量快速增长，许多桥梁出现了不同程度的病害，需要加固或者改建才能提高其承载能力。精确有效地评估加固或改建后的桥梁承载能力显得尤为重要。桥梁荷载试验就是检验桥梁结构的使用状态和承载能力是否符合设计要求的有效办法[1]。桥梁荷载试验利用荷载作用引起桥梁结构的变位和振动从而测试桥梁结构指定部位的应变、挠度等数据[2]，直接测得桥梁的结构特性，并对桥梁的承载力进行有效评估。本文以衢州某改建预应力混凝土T型梁桥为例（该桥为本地区首例上部结构由预应力混凝土空心板改为预应力混凝土T型梁的大桥），对改建后的桥梁进行交竣工验收荷载试验，为同类桥梁的设计、施工及验收积累经验。
1 工程背景及桥梁计算模型
衢州某大桥右幅改造前上部结构为简支预应力混凝土空心板，跨径组合为19×20m。因桥梁上部结构已不能满足现有交通运行要求，故对该桥上部结构进行改造，并利用老桥墩台。桥梁改造完成后上部结构为简支连续预应力T梁，重力式墩台身，扩大基础。桥梁全长399m，跨径组合为：4×20m+4×20m+4×20m+4×20m+3×20m，桥面铺装采用沥青混凝土，桥面宽度布置：0.5m（护栏）+10.0m（行车道）+1.25m（护栏）（如图1所示）。桥梁设计荷载等级：公路-Ⅰ级。设置盆式橡胶支座和D80伸缩缝。
根据该桥的结构特点，采用Midas/Civil桥梁计算软件运用梁格法建立分析模型（如图2所示），全桥共820个梁单元，1052个节点，混凝土标号为C50，泊松比取0.2，容重是25kN/m3，采用高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值1860MPa，普通钢筋采用HPB300光圆钢筋和HRB400带肋钢筋；梁端部采用简支约束；计算桥梁自振频率时护栏以及桥面铺装等均以均布荷载的形式施加等。
2 静载试验
静载试验应按照桥梁结构的最不利受力原则和代表性原则来确定试验工况及测试截面。按照设计的荷载等级对桥梁进行加载，测试选定测试跨的跨中应变、挠度，检查加载过程中有无裂缝发生与扩展情况，检测卸载后的残余应变、残余挠度以及裂缝宽度情况。
2.1测点布置
根据桥梁结构受力特点以及抽查频率不低于总跨径的10%[3]随机选取。试验选取该桥第2、3跨进行荷载试验。分别选取第2跨1#墩顶负弯矩截面（Ⅰ截面）、L/4正弯矩截面（Ⅱ截面）、L/2正弯矩截面（Ⅲ截面），以及第3跨L/2截面（Ⅳ截面）[1]作为测试截面（如图3所示）。
应变测点纵向布置在测试跨跨中截面，全桥共计13+13×3=52个应变测点；单跨位移测点布置在测试跨跨中、1/4跨、支点截面，共计12个位移测点（如图4所示）。
2.2 加载车辆工况布置
目的最不利效应值进行等效换算，确定所需的试验荷载、加载车辆和轮位。由于受客观条件所限，采用的试验荷载与设计荷载有差别，为保证试验效果，采用静载试验效率系数进行控制。考虑到加载的方便，试验时要求采用统一型号的车辆，共计加载车辆4辆。加载车辆总重为40t，前轴共重8t，后二轴各重16t，横向轮距1.8m（见表1）。该桥设计荷载等级为公路-Ⅰ级，车队纵向、横向位置按照图5进行布设。
2.3 荷载效率
为保证试验效果，对于某种特定荷载工况，试验荷载的大小和加载位置的选择采用静载试验效率系数进行控制，对于交竣工验收荷载试验，一般控制在0.85~1.05之间[1]。公路-Ⅰ级静载试验效率系数为该跨在荷载作用下单板最大弯矩梁试验效率系数，主跨偏载以2-2#、3-2#梁弯矩，中载以2-3#、3-3#梁弯矩为控制值。各荷载工况下静载试验效率系数如表2所示，从中可见，各工况下静载试验荷载效率系数均在规定的范围内，满足规范要求，桥梁的承载力可以得到充分体现，且不至于对其结构造成破坏。
2.4 试验结果及分析
工况二加载时采用分级加载，四辆车辆分别陆续加载。从应变测试结果（见表3）看测试截面应变校核系数均小于1，位于0.37~0.77间，表明结构受力状态满足规范要求，并有一定的富余；各测试截面的相对残余应变均小于20%，表明结构处于弹性状态。从图6可以看出该桥横向分布与理论值接近，横向联接强度情况良好。从图7可以看出，在试验荷载作用下，结构处于弹性变形阶段。
从表4挠度测试结果看，测试截面挠度校核系数均小于1，位于0.35~0.70间，表明结构受力状态满足规范要求，并有一定的富余；各测试截面的相对残余挠度均小于20%，表明结构处于弹性状态。试验跨在整个试验过程中未发现既有裂缝明显开展。
3 动载试验
动载试验是对桥梁施加激振力而使桥梁发生振动，测得相应的振动信号，分析桥梁的动力特性及动态响应。本次动载试验测量桥梁在车辆荷载作用下的动应变，从而得到桥梁的荷载冲击系数。应变测点选择测试跨跨中底面应变测点作为动应变测点，每跨设置5个应变测点。测试桥梁的自振特性参数，包括自振频率、阻尼比等，因连续梁桥为沿桥横向为对称、反对称振动，故在桥面单侧布置1列速度传感器，将每跨分为8等分，桥墩不布置传感器。（图8）
3.1 桥梁自振特性测试结果及分析
用Midas/Civil建模分析，对整桥模型进行动力频谱分析得到桥梁前3阶理论振动频率及竖向1阶振型。在第3、4跨L/8截面、L/4截面、3L/8截面、L/2截面、5L/8截面、3L/4截面、7L/8截面分别设置竖直速度传感器。（表5、图9、图10）
从试验结果来看，脉动试验实测频率为7.32Hz，冲击试验实测频率为6.67Hz，均大于理论计算频率。桥梁主跨及边跨各阶实测频率值均大于理论计算值，且实测竖向振型与计算振型相符，说明该桥刚度满足要求，整体动力性能满足要求。
3.2 冲击系数测试结果分析
冲击系数是确定车轴荷载对桥梁动力作用的重要技术参数，冲击系数的大小综合反映了桥面平整度、运行车辆的动力性能、车速等因素对结构动力性能的影响。根据现场情况对桥梁做跑车试验，在桥面无任何障碍的情况下，采用1部载重汽车分别以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h的速度按指定线路通过桥面，测试各工况桥面的动应变时程响应及不同车速下的冲击系数。
从测试结果（图11）来看，随着车速的增大，冲击系数逐渐增大，动力反应逐渐明显。由表6可知，在正常行车情况下，车辆对桥梁的冲击系数最大值为μ=0.14，小于规范[4]规定的设计计算取值：μ=0.32，说明该桥整体行车动力性能良好，满足设计要求。
4 结论
该文通过桥梁荷载试验和Midas/Civil软件分析计算，将实测结果与理论计算结果加以对比分析，对整座桥的承载能力做出评价，得出以下结论：
①测试截面应变测点、挠度测点校核系数均满足《公路桥梁技术状况评定标准》要求，且结构具有一定的富余量；且应变、挠度相对残余均小于20%。说明该桥能够满足公路-Ⅰ级荷载等级要求，且处于弹性工作状态。
②桥梁主跨及边跨竖向实测一阶频率值均较理论值计算基频高，说明实测结果反映的桥梁竖向刚度大于计算结构反映的竖向刚度，分析认为该桥实际竖向整体刚度达到设计要求。在正常行车情况下，该桥实测冲击系数均小于规范规定的设计计算取值，说明该桥整体行车动力性能良好，满足设计要求。
③利用荷载作用引起桥梁结构的变位和振动从而测试桥梁结构指定部位的应变、挠度等数据，直接测得桥梁的结构特性，并对桥梁的承载力进行有效评估，为本地区同类桥梁的设计、施工及验收积累经验。
参考文献：
[1]JTG/T J21-01-2015，公路桥梁荷载试验规程[S].北京:人民交通出版社股份有限公司，2016，2.
[2]肖勇刚，胡丽湘.基于荷载试验的预应力空心板桥承载能力分析[J].公路与汽运，2014（01）.
[3]浙江省交通运输厅.浙江省公路工程竣（交）工验收实施细则（试行）.2013.
[4]JTG D60-2015，公路桥涵设计设计通用规范[S].北京:人民交通出版社股份有限公司，2015，9. |
