静动载荷试验在特殊结构桥梁承载能力评定中的运用

朱林

摘要：截至2021年年末，我国公路桥梁已增至96.11万座、7380.21万延米，其中特大桥梁7417座、1347.87万延米，大桥13.45万座、3715.89万延米。桥梁工程在为交通提供便捷的同时，也存在许多安全隐患，因桥梁自身质量问题或货车超载等原因造成的桥梁侧翻、坍塌事故频发。本文通过桥梁荷载试验检测方法，结合工程实例对桥梁静动载荷试验进行分析，以判断桥梁承载能力。

关键词：桥梁；荷载试验；承载能力

引言：在桥梁正式投入使用前，为确保桥梁安全使用需要对其做承载力鉴定。桥梁荷载试验是目前测定桥梁实际可具备承载力的主要方法，也是比较直观的检测手段之一，分为静载试验和动载试验。荷载试验可以通过检测所获得的挠度和应变数据，分析桥梁在实际运营中的承载能力、荷载等级，为桥梁使用及养护提供依据。

1.桥梁概况

苍溪县嘉陵江三桥主线桥跨为：254m下承式系杆拱桥（计算跨径240m）。

桥梁立面照

2.荷载试验内容

本文主要对桥梁主桥特殊结构跨进行荷载试验分析，即主桥第22跨（1-240m钢管混凝土拱桥）。

3. 桥跨概况

上部构造采用1-240m下承式拱桥，四管桁式拱肋，桁架高5.2m，宽2.8m，矢高53.333m，矢跨比为1/4.5，拱肋采用悬链线，拱轴系数为1.352。桥面宽度：主桥为2.75m人行道+2.5m非机动车道+4m拱肋保护带+15.5m行车道+4m拱肋保护带+2.5m非机动车道+2.75m人行道。下部构造采用桩基接承台，柱式桥墩接圆形桩基础。

4.测试截面、项目内容

桥梁静载试验测试截面和项目内容，如下表所示。

苍溪县嘉陵江三桥新建工程第22跨静载试验内容

序号	主要测试工况	测试截面/部位	加载工况	主要测试内容	备注
1	拱脚最大负弯矩工况	主拱拱脚截面	偏载	挠度、应变、1#吊杆索力测试、裂缝观测	240m钢管混凝土拱桥
2	3/8L截面最大正弯矩工况	主拱3/8L截面	中载	挠度、应变、裂缝观测
3	拱顶最大正弯矩工况	主拱拱顶截面、吊杆横梁	中载	挠度、应变、15#吊杆索力测试、裂缝观测
4	3/4L截面最大正弯矩工况	主拱3/4L截面	中载	挠度、应变、22#吊杆索力测试、裂缝观测

5. 静载试验及结果

5.1拱脚截面静载试验及结果

（1）拱脚测试截面的荷载效率如下表所示。

拱脚测试截面的荷载效率

截面号及工况	内力名称及单位	设计内力	试验荷载内力	试验效率	加载车数量
拱脚最大负弯矩工况（上弦杆）	应力（Mpa)	30.90	29.30	0.95	12车
	弯矩（kN.m)	-395.7	-384.2	0.97
	挠度(mm)	-1.28	-1.22	0.95

（2）静载试验结果

① 挠度测试结果

该试验截面在荷载作用下，挠度实测值与计算值的比较分析见下表。

该截面偏载工况下挠度结构校验系数为0.85~0.89，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

偏载工况下挠度实测值与计算值的比较分析

测试桥跨	加载工况	测试位置	实测值(mm)	计算值(mm)	校验系数η
第22跨拱脚	偏载工况	左侧拱肋	-2.04	-2.29	0.89
		右侧拱肋	-0.66	-0.78	0.85

注：表中挠度数据向下为负值，向上为正值。

② 应变测试结果

该试验截面在荷载作用下，应变实测值与计算值的比较见下表。

该试验截面偏载工况下应变结构校验系数为0.53~0.79，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

表6.3.7-1-3 偏载工况下应变实测值与计算值的比较

测试截面	加载工况	测点位置		实测值(με)	计算值(με)	校验系数η
第22跨拱脚	偏载工况	左侧拱肋	上弦管顶部	32	48	0.67
			下弦管顶部	-13	-19	0.68
			下弦管底部	-41	-54	0.76
		右侧拱肋	上弦管顶部	112	142	0.79
			下弦管顶部	-39	-55	0.71
			下弦管底部	-85	-160	0.53

注：表中应变受拉为“+”，受压为“-”。

③ 加载前后及加载过程中无可见裂缝产生。

5.2、3/8 L截面静载试验及结果

（1）3/8L测试截面的荷载效率如下表所示。

3/8 L测试截面的荷载效率

截面号及工况	内力名称及单位	设计活载内力	试验荷载内力	试验效率	加载车数量
3/8L截面最大正弯矩工况（下弦杆）	应力(Mpa)	20.50	19.50	0.95	12车
	弯矩(kN.m)	155.6	151.8	0.98
	挠度（mm)	-61.10	-46.32	0.76

（2）静载试验结果

① 挠度测试结果

该试验截面在荷载作用下，挠度实测值与计算值的比较分析见下表。

该截面中载工况下挠度结构校验系数为0.89~0.91，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

中载工况下挠度实测值与计算值的比较分析

测试桥跨	加载工况	测试位置	实测值(mm)	计算值(mm)	校验系数η
第22跨3/8L截面	中载工况	左侧拱肋	-41.06	-46.32	0.89
		右侧拱肋	-42.12	-46.32	0.91

注：表中挠度数据向下为负值，向上为正值。

② 应变测试结果

该试验截面在荷载作用下，应变实测值与计算值的比较见下表。

该试验截面中载工况下应变结构校验系数为0.50~0.79，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

表6.3.7-2-3 中载工况下应变实测值与计算值的比较

测试截面	加载工况	测点位置		实测值(με)	计算值(με)	校验系数η
第22跨3/8L截面	中载工况	左侧拱肋	上弦管顶部	-59	-117	0.50
			下弦管顶部	20	33	0.61
		右侧拱肋	上弦管顶部	-76	-117	0.65
			下弦管顶部	26	33	0.79

注：表中应变受拉为“+”，受压为“-”。

③ 加载前后及加载过程中无可见裂缝产生。

5.3、拱顶截面静载试验及结果

（1）拱顶测试截面的荷载效率如下表所示。

拱顶测试截面的荷载效率

截面号及工况	内力名称及单位	设计活载内力	试验荷载内力	试验效率	加载车数量
拱顶最大正弯矩工况（拱顶下弦杆件）	应力（Mpa)	14.10	16.10	1.14	12车
	弯矩（kN.m)	139.6	142.7	1.02
	挠度（mm)	-49.88	-37.02	0.74

（2）静载试验结果

① 挠度测试结果

该试验截面在荷载作用下，挠度实测值与计算值的比较分析见下表。

该截面中载工况下挠度结构校验系数为0.93~0.97，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

中载工况下挠度实测值与计算值的比较分析

测试桥跨	加载工况	测试位置	实测值(mm)	计算值(mm)	校验系数η
第22跨拱顶	中载工况	左侧拱肋	-34.61	-37.02	0.93
		右侧拱肋	-36.52	-37.02	0.97

注：表中挠度数据向下为负值，向上为正值。

② 应变测试结果

该试验截面在荷载作用下，应变实测值与计算值的比较见下表。

该试验截面中载工况下应变结构校验系数为0.45~0.75，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

中载工况下应变实测值与计算值的比较

测试截面	加载工况	测点位置		实测值(με)	计算值(με)	校验系数η
第22跨拱顶	中载工况	左侧拱肋	上弦管顶部	-45	-101	0.45
			下弦管顶部	13	20	0.65
		右侧拱肋	上弦管顶部	-55	-101	0.54
			下弦管顶部	15	20	0.75

注：表中应变受拉为“+”，受压为“-”。

③ 加载前后及加载过程中无可见裂缝产生。

5.4 3/4L截面静载试验及结果

（1）3/4L测试截面的荷载效率如下表所示。

3/4L测试截面的荷载效率

截面号及工况	内力名称及单位	设计活载内力	试验荷载内力	试验效率	加载车数量
3/4L截面最大正弯矩工况（下弦杆）	应力(Mpa)	21.7	20.1	0.93	12车
	弯矩(kN.m)	161	156.1	0.97
	挠度（mm)	-64.28	-49.07	0.76

（2）静载试验结果

① 挠度测试结果

该试验截面在荷载作用下，挠度实测值与计算值的比较分析见下表。

该截面中载工况下挠度结构校验系数为0.93~0.94，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

中载工况下挠度实测值与计算值的比较分析

测试桥跨	加载工况	测试位置	实测值(mm)	计算值(mm)	校验系数η
第22跨3/4L截面	中载工况	左侧拱肋	-45.97	-49.07	0.94
		右侧拱肋	-45.48	-49.07	0.93

注：表中挠度数据向下为负值，向上为正值。

② 应变测试结果

该试验截面在荷载作用下，应变实测值与计算值的比较见下表。

该试验截面中载工况下应变结构校验系数为0.71~0.85，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

中载工况下应变实测值与计算值的比较

测试截面	加载工况	测点位置		实测值(με)	计算值(με)	校验系数η
第22跨3/4L截面	中载工况	左侧拱肋	上弦管顶部	-110	-137	0.80
			下弦管顶部	26	35	0.74
		右侧拱肋	上弦管顶部	-116	-137	0.85
			下弦管顶部	25	35	0.71

注：表中应变受拉为“+”，受压为“-”。

③ 加载前后及加载过程中无可见裂缝产生。

6.动载试验及结果

6.1 动载试验项目为脉动试验、跑车试验、跳车试验。

6.2 动载试验测点布置

动应力测点：在2个肋拱跨中截面各布置3个动应力测点（可与静应变测点共用）。

动力试验的内容包括桥梁的自振特性测试以及桥梁在动荷载作用下的动力反应特性，具体包括若干阶自振频率，冲击系数和阻尼比等。

主拱的动应力测点则利用静载试验时布置在主拱 L/2 的应变片。

6.3 动载试验方法

（1）脉动试验，测定桥跨结构的固有频率及阻尼比等。

（2）无障碍行车试验，在桥面无任何障碍的情况下，用2台重载汽车沿车道，以10km/h、20km/h……60km/h的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。

（3）跳车试验，模拟桥面铺装局部损伤状态下，桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。

其基本荷载及作用方法与无障碍行车试验相同；而模拟桥面铺装局部损伤的方法，是在桥跨结构桥面适当位置设置横断面为高7.5cm、底宽30cm的三角形木板制作的障碍物，实现对桥面损伤后凹凸起伏的典型化模拟。

6.4 动载试验结果

（1）自振特性测试结果

自振特性的测试采用环境激励法，对测试结果进行模态分析。

频率实测值与理论计算值的比较见下表，表明桥跨结构的动力性能良好；实测阻尼比为如表所示，说明结构有较好的耗散外部能量输入的能力。

前4阶频率实测值与理论计算值的比较

测试截面	阶数	实测值	计算值	比值	实测阻尼比（%）
拱顶截面	1	0.86	0.73	1.18	1.10
	2	1.66	0.81	2.05	0.68
	3	2.19	1.10	1.99	0.49
	4	2.84	1.22	2.33	0.52

（2）第22跨激振试验

激振试验分为行车激振和跳车激振，在不同车速下第22跨行车、跳车冲击系数见下表.

跨中截面冲击系数

行车		跳车
车速(km/h)	第22跨跨中截面冲击系数	车速(km/h)	第22跨跨中截面冲击系数
10	0.06	10	0.83
20	0.03	20	0.28
30	0.01	30	0.28
40	0.06	/	/
50	0.06	/	/
60	0.10	/	/

对实测冲击系数进行分析可以看出：

①第22跨实测行车冲击系数在0.01~0.10之间，均符合设计要求；

②第22跨跳车冲击系数在0.28~0.83之间，说明桥面在模拟局部破损状态下，车辆冲击对桥跨结构影响较大，须定期观测桥面铺装工作情况，如果桥面铺装破损较严重，则应封闭交通进行处理。

7.试验结论

（1）第22跨拱脚截面偏载工况下挠度结构校验系数为0.85~0.89；3/8L截面中载工况下挠度结构校验系数为0.89~0.91；拱顶截面中载工况下挠度结构校验系数为0.93~0.97；3/4L截面中载工况下挠度结构校验系数为0.93~0.94，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

（2）第22跨拱脚截面偏载工况下应变结构校验系数为0.53~0.79；3/8L截面中载工况下应变结构校验系数为0.50~0.79；拱顶截面中载工况下应变结构校验系数为0.45~0.75；3/4L截面中载工况下应变结构校验系数为0.71~0.85，均符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》JTG/T J21-2011中校验系数η≤1.0的规定。

（3）该试验桥跨结构前4阶频率实测值与理论计算值的比值分别为1.18，2.05，1.99，2.33，表明桥跨结构的动力性能良好，实测阻尼比分别为1.10%，2.05%，1.99%，2.33%，说明结构有较好的耗散外部能量输入的能力。

（4）第22跨实测行车冲击系数在0.01~0.10之间，均符合设计要求；第22跨跳车冲击系数在0.28~0.83之间，说明桥面局部破损状态下，车辆冲击对桥跨结构影响较大，须定期观测桥面铺装工作情况，如果桥面铺装破损较严重，则应立即封闭交通进行处理。

（5）该桥上下游侧桥面线形重叠、顺适，无明显奇异拐点；两侧主拱圈线形测线绝大多数较设计值偏高。对于钢管混凝土吊杆拱桥来说，在通车运营过程中汽车荷载等作用下，受主拱收缩徐变、松弛等的影响，主拱线形会一定程度下挠，因此成桥实测线形稍高于设计线形对桥梁整体受力及结构的耐久性有利。

8.结语：

桥梁动静荷载试验已经成为桥梁承载能力评定最直观有效的方法，检测技术已经十分成熟，在各类结构形式桥梁承载能力检测方面应用广泛，为桥梁的长期安全运营、维护及加固提供有力的保障。

参考文献

　[1]张国明.桥梁现场荷载试验检测技术[J].广东建材,2020(8):32~34+4.
[2]吴崭鑫.浅谈国内桥梁检测中的静载和动载试验[J].中国科技博览，2010 (24)