1、某既有桥梁使用性能试验分析摘要：现代大量桥梁处于运营阶段，桥梁性能会随着时间的推移而降低。为保证桥梁的正常安全运营，对某桥梁进行荷载试验，并进行理论计算分析，将试验数据及理论计算结果进行对比，相互验证。试验及计算结果表明桥梁处于弹性工作状态，刚度、承载力与抗裂性能满足使用要求。 关键词：既有桥梁；试验检测；理论分析；安全性能 中图分类号：U446 文献标识码：A 建国以来，特别是改革开放以来，我国桥梁建设取得了巨大的成就，现有桥梁已超过 50 万座。但目前我国 94%以上桥梁仍为中、小跨径桥梁1，且大多分布在技术标准低、通行能力差的县乡公路上，约有 1/3 处于 3、4 类状况。结合我国公路运
2、输现状，为保证运营安全，对某桥梁进行试验检测及有限元分析，确保该桥梁满足正常使用要求。 1 桥梁概述 本试验的大桥全长 925m，为 46-20 米预应力连续空心板桥，桥面宽度为净 16m。该桥修建于 1998 年，主梁混凝土等级为 C40，桥面铺装采用 10cm 沥青混凝土，预应力钢绞线采用高强度松弛 270 级 j=15.24mm的钢绞线，普通钢筋直径 d12mm 者采用级钢筋，直径小于 12mm 者采用级钢筋。桥面和铰缝完好，下部无不良病害。桥梁概貌见图 1.1 图 1.1 桥梁概貌 2 有限元计算分析 2.1 静力计算模型 在静载试验实施前采用桥梁博士对该桥结构进行了计算分析。桥梁博士
3、计算模型见图 2.1，试验孔跨中中板及边板截面尺寸大样见图 2.2。本桥动载试验分析计算过程中按实际结构建立模型，分析桥梁动力性能。图 2.1 预制空心板桥博立面模型 图 2.2 试验梁中板及边板跨中截面尺寸大样（单位：cm） 2.2 动力计算模型 依据该桥竣工图的几何尺寸和材料参数，采用 MIDAS 软件，建立有限元模型（图 2.3） ，运用子空间迭代法，对该桥进行模态分析，得出该桥前两阶竖向固有频率，使用 INV 频率计计算阻尼比。 图 2.3 结构 Midas 有限元模型 3 静载试验 通过本次桥梁静载试验，主要达到以下目的： 1) 通过静载试验，确定结构测试截面的应变分布情况（包括应变
4、沿截面高度的分布情况，评估桥梁结构实际受力状况； 2) 通过分析在试验荷载作用下桥梁测试截面的挠度情况，评估桥梁上部结构刚度及整体性。 3.1 试验点布置 桥梁跨组合为 6 孔 20m 简支空心板。根据现场条件及结构的受力特点，确定选取第 1 孔为试验孔，试验孔跨中截面应变及挠度测点布置见图 3.1、3.2。 图 3.1 挠度测点横断面布置 图 3.2 应变测点横断面布置 3.2 加载试验工况 根据本桥实际情况,静载试验采用 4 辆约 40t 重车进行加载，本次试验试验孔为一个工况进行加载。 工况一：跨中截面最大正弯矩（对称） ； 工况二：跨中截面最大正弯矩（偏载） ； 3.3 静载试验结果
5、3.3.1 工况一试验及分析 对第 1 孔跨中进行对称加载，测试应变、挠度变化情况。 表 3.1 对称加载工况静载试验各工况分级加载数据 荷载分级 主梁对称加载 对应加载 X （m） 试验荷 （KN.m） 试验 效率 第一级 704 105% 2 第二级 642 96% 2.5 第三级 524 78% 3.5 1）应变分析 表 3.2 工况一应变测试结果 由表 3.2 可知跨中截面看空心板底及梁侧应变测点校验系数除个别绝对值较小点外，实测应变残余均小于 20%，说明结构处于弹性工作状态。在工况一最大级试验荷载作用下跨中截面实测最大拉应变为 54，理论计算值为 103，比值为 0.52，满足评定
6、规程中预应力混凝土梁桥应力校验系数在 0.500.90 之间的要求，说明试验空心板结构强度满足要求。 图 3.3 工况一满载时空心板侧面实测应变沿梁高度变化图 从图 3.3 可以看出：空心板侧面实测应变沿截面高度基本呈线性变化，满足平截面假定，实测中性轴与理论值 0.507m 一致，说明测试截面变形处于正常工作状态。 2）挠度分析 表 3.3A 截面对称加载挠度实测值单位：mm 由表 3.3 可知，实测挠度残余较小，相对残余均明显小于 20%,满足试验规范的要求，说明结构整体处于良好的弹性工作状态。图 3.4 为在跨中截面对称加载工况下各测点的实测挠度值与理论值的对比图。 图 3.4 工况一各
7、级试验荷载下跨中实测挠度与理论值关系图 由图 3.4 中数据可知，跨中截面梁底挠度测点在各级加载下跨中挠度测点实测值均小于理论计算值，且实测挠度数值连线规律性与理论值基本一致，说明该桥试验孔横向连接性能良好。最大级试验荷载下跨中挠度实测挠度在 1.64mm3.78mm 之间，通过以上数值做比可知该工况下满载时空心板跨中挠度校验系范围是为 0.310.45，均小于评定规程规定的预应力混凝土梁桥挠度校验系数范围（0.601.00） ，这说明梁体刚度满足规范规定。 3.3.2 工况二试验及分析 静载试验工况二： 对第 1 孔跨中截面进行偏心加载，测试跨中截面的应变、挠度变化情况。 表 3.4A 截面
8、偏心加载荷载分级表 荷载分级 主梁对称加载 对应加载 X （m） 试验荷 （KN.m） 试验 效率 第一级 704 105% 2 第二级 642 96% 2.5 第三级 524 78% 3.5 2）应变分析 图 3.5 工况二满载时空心板侧实测应变沿梁高度变化图 .表 3.5 工况二应变测试结果 由表 3.5 可知 A 截面空心板梁底及梁侧应变测点校验系数除个别绝对值较小点外，实测应变残余均小于 20%，说明结构处于弹性工作状态。最大级试验荷载作用下跨中截面实测最大拉应变为 76，理论计算值为 135，比值为 0.56，满足评定规程中预应力混凝土梁桥应力校验系数在 0.500.90 之间的要求
9、，说明试验空心板结构强度满足规范要求。从图 3.5 可以看出：空心板侧面实测应变沿截面高度基本呈线性变化，满足平截面假定，实测中性轴与理论值 0.507m 一致，说明测试截面变形处于正常工作状态。 3）挠度分析 表 3.6 跨中截面偏心加载挠度实测值单位：mm 图 3.6 工况二满载时跨中实测挠度与理论计算值关系图 由图 3.6 及表 3.6 中数据可知，A 截面（跨中）梁底挠度测点在各级加载下的实测数值连线与理论值规律基本一致，且实测值均小于理论计算值，说明上部结构连接性能较好。最大级试验荷载下跨中挠度实测挠度在 0.91mm3.54mm 之间，理论计算值在 2.73mm10.03mm 之间
10、，通过以上数值做比可知该工况下满载时空心板跨中挠度校验系范围是为0.340.54，小于评定规程规定的预应力混凝土梁桥挠度校验系数范围（0.601.00） ，这说明空心板刚度满足规范规定。 3.4 小结 在最大级偏心（工况二） 、对称荷载（工况一）作用下跨中截面边梁侧面实测中性轴高度均与理论计算值为 0.507m 一致；在工况一、二试验荷载空心板侧面实测应变沿截面高度基本呈线性变化，满足平截面假定，且试验中各应变测点残余应变较小，这都说明空心板结构处于弹性工作状态。该桥试验孔 20m 空心板结构的混凝土强度、刚度及抗裂性均满足设计要求。 4 动载试验 4.1 动载试验目的 动载试验主要用于综合了
11、解结构自身的动力特性以及结构抵抗受迫振动和突发荷载作用的能力，以判断结构的实际工作状态，同时也为使用阶段结构评估积累原始数据。 4.2 动载试验及分析 4.2.1 数据分析 自振特性测试时，采样频率设为 51.2Hz。频谱分析及模态识别时，为增加频谱分析的分别率，放大器低通滤波器设为 20Hz，分析采用 20Hz以内的信号。 测试时程曲线及幅值谱见图 4.2。 图 4.1 测点时程曲线及幅值谱图 从图 4.1 中可以看出，在天然脉动作用下，各测点的位移响应信号的各阶频率基本一致。这些响应信号的频率应为近似平稳随即激励下的结构自振频率的体现。图中数据表明，所测响应信号真实的包含了结构的动力特性信
12、息。 4.2.2 自振特性计算分析 竖向一阶振型 图 4.2 竖向一阶振型图 竖向一阶模态为正对称弯曲模态，理论频率为 8.27Hz。 竖向二阶振型 图 4.3 竖向二阶振型图 竖向二阶模态为正对称弯曲模态，理论频率为 9.74Hz。 （3）动态特性测定 采用随机子空间识别法对该桥脉动试验数据进行了模态分析，提取结构模态参数。 表 4.1 动力特性参数 3）结构性能评定 从动力特性参数分析结果看来，竖向一、二阶实测频率均高于理论频率，实测频率与理论频率比值在 1.01.1 之间，竖向一阶模态阻尼比为 2.04%，竖向二阶模态阻尼比为 2.30%。 数据表明，桥梁刚度高于理论值，结构动力性能正常
13、。 5 结论 通过对桥梁荷载试验的检测数据与理论设计值对比、分析可以得出以下结论： 1、通过对该桥试验跨静载试验应变数据的分析可知，其空心板强度及抗裂性够满足设计要求。 2、通过对该桥试验跨静载试验挠度数据的分析可知，其空心板刚度够满足设计要求，且存在较大安全储备。 3、该桥试验跨实测频率均高于理论值，说明试验跨动力性能良好。 参考文献 1孙维章，梁宋湘等.锈蚀钢筋剩余承载力的研究J.水利水运科学研究，1993(2) 2姬兵亮. 既有钢筋混凝土梁桥试验检测研究.西安：长安大学硕士论文，2007 3公路桥涵养护规范 （JTG H11-2004） 4公路桥涵设计通用规范 （JTG D60-2004）
