潮州市城区桥梁管养中心 广东省潮州市 521000
摘要：随着我国国民经济的飞速发展，目前部分运营通车线路上的桥梁原设计荷载等级已无法满足现今日益增长的交通车辆通行要求，因此对现状桥梁升级改造变得尤为迫切。某桥为一座1x30m+105m+30m的预应力混凝土简支小箱梁桥，桥面总宽22.0m。为了判断桥梁当前的承载能力是否能满足改造提升后目标荷载的安全承载要求，为桥梁改建提供基础数据和技术依据，需对其进行荷载试验和承载能力极限验算。实验表明：该桥能够满足目标荷载公路-Ⅰ级（JTG D60-2015）正常使用的安全承载要求；承载能力检算结果：在承载能力极限状态下，该桥上部结构预应力混凝土小箱梁极限承载能力能够满足期目标荷载公路-Ⅰ级（JTG D60-2015）的安全承载要求，同时为同类型桥梁升级改造荷载试验提供参考。
关键词：简支预小箱梁，目标荷载，静载试验，动载试验，承载能力极限验算
1．桥梁概况
某桥为一座单跨简支预应力混凝土小箱梁桥，桥梁全长36.3m，跨径为30.0m。该桥上部结构由7榀预应力混凝土小箱梁组成，梁间位于梁端处各设有1道端横隔梁，跨中处设有1道中横隔梁，小箱梁梁高均为1.60m，底板宽均为1.0m，其中边梁顶宽2.85m，外侧和内侧翼缘宽度分别为0.769m和0.167m，中梁顶宽为2.40m，翼缘宽度分别为0.167m和0.119m，箱梁和横隔梁混凝土设计强度等级均为C50。全桥箱梁梁端底面均采用GYZ板式橡胶支座。下部结构采用轻型桥台，下设钻孔灌注桩，桥台混凝土设计强度等级为C30。
桥面总宽22.0m，桥宽布置为：0.2m栏杆基座+2.8m人行道+16.0m车行道+2.8m人行道+0.2m栏杆基座。桥面采用20cm厚钢筋混凝土铺装，西端桥台上方设有型钢伸缩装置，东端桥台上方设有简易伸缩缝，两侧栏杆采用高度为1.15m的钢筋混凝土栅式栏杆。
对桥梁进行静载试验，检测上部结构小箱梁在试验荷载作用下的应变（应力）和挠度，据此评价桥梁的受力性能是否满足目标荷载的正常使用要求；对桥梁进行跑车试验，测试结构在汽车动荷载作用下的动力响应，评价结构在动荷载作用下的工作状况；对桥梁进行自振特性测试，测定桥梁的振动频率、振型、阻尼比，评价桥梁结构在环境激励下的工作性能，通过承载能力极限状态检算评价上部结构预应力混凝土小箱梁的极限承载能力是否满足改造后目标荷载的安全承载要求；通过以上静、动载试验及桥梁承载能力极限状态检算，判断桥梁当前的承载能力是否能满足改造提升后目标荷载的承载要求，为后续桥梁改建提供基础数据和技术依据。
2．静载试验
2.1试验测试断面及测点布设
本次进行静载试验的某桥其跨径为30.0m，计算跨径为29.24m，测试断面位置如图1所示，图中：
1-1断面：跨中最大正弯矩断面，应变和挠度测试；
2-2断面：2#小箱梁梁端距支座中心h/2处最大剪力断面，应变测试。
图1 静载试验测试断面布置示意图（单位：mm）
2.1.1 试验应变测点布置
1）1-1断面跨中应变测试采用钢弦应变计，钢弦应变测点布设在1#~3#小箱梁底板混凝土表面。6个钢弦应变计测点（包括1个由5个钢弦应变计组成的连续钢弦应变计测点）。1-1断面应变测点布置及编号示意见图2。
图2 1-1断面应变测点布置及编号示意图（单位：mm）
2）2-2断面2#小箱梁梁端应变测试采用钢弦应变计组成的应变花，2-2断面应变测点布置示意见图3。
图3 2#小箱梁梁端剪力测点布置示意图（单位：mm）
2.1.2 挠度测点布置
挠度测试采用徕卡TS30自动巡检全站仪配合L形棱镜，1-1断面共布设7挠度测点，测点布置及编号示意见图4。
图4 1-1断面挠度测点布置及编号示意图（单位：mm）
2.2效率系数
11.4.2 计算模型及试验效率系数
该桥原设计荷载为公路-Ⅰ级（依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）），根据道路改建规划该桥荷载等级拟提升至公路-Ⅰ级（依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）），为安全起见试验荷载先分级加载到设计荷载，若应变及挠度校验系数均在常值范围内，且安全储备充足，则再加载到目标荷载。理论计算采用Midas/Civil 2019桥梁计算软件建立梁格模型进行计算分析。理论计算模型如图5所示。
图5 某桥主梁理论计算模型
本次静载试验荷载拟采用4辆每辆总重460kN的三轴载重货车，本试验时以2#小箱梁为控制构件，全桥各测试断面静载试验效率见表1。
全桥各控制断面静载试验效率系数 表1
测试断面 | 荷载工况 | 设计/目标荷载 | 试验荷载 | 效率系数 |
1-1断面 | 2#小箱梁跨中最大正弯矩（kN.m）（设计荷载） | 2134 | 2087 | 0.98 |
2#小箱梁跨中最大正弯矩（kN.m）（目标荷载） | 2342 | 2303 | 0.98 | |
2-2断面 | 2#小箱梁距支座中心h/2处最大剪力（kN） （设计荷载） | 480 | 478 | 0.99 |
2#小箱梁距支座中心h/2处最大剪力（kN） （目标荷载） | 533 | 518 | 0.97 |
注：设计荷载效应和目标荷载效应都已计入理论冲击系数。
由表1可知，某桥设计荷载公路-Ⅰ级（依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004））各测试断面的静载试验效率为0.98~0.99，目标荷载公路-Ⅰ级（依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015））各测试断面的静载试验效率为0.97~0.98，各工况试验效率系数满足《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233-2015）规定的在进行鉴定性荷载试验时，桥梁静载试验效率系数介于0.95~1.05之间的要求。
2.3 试验成果及分析
2.3.1横向分布系数检验
荷载沿横向对各主梁不同分配的比例系数即为荷载横向分布系数，实测荷载横向分布系数，一方面可判断该桥结构的横向整体性能，另一方面可以检验理论分析结果与实际的符合程度。为检验该桥横向分布系数，选择汽车两车道偏载0.98倍设计荷载和偏载0.98倍目标荷载加载对应横向分布系数作为校验。通过跨中梁底的实测挠度可得各箱梁横向分布系数，挠度实测值、荷载横向分布系数实测与理论值对比见表2，小箱梁相应曲线对比见图6~图7。
汽车荷载偏载工况下跨中小箱梁挠度实测值及横向分布系数 表2
箱梁编号 | 两车道偏载0.98倍设计荷载 | 箱梁编号 | 两车道偏载0.98倍目标荷载 | ||||
实测挠度（mm） | 实测横向分布系数 | 理论横向分布系数 | 实测挠度（mm） | 实测横向分布系数 | 理论横向分布系数 | ||
1#小箱梁 | 4.77 | 0.441 | 0.441 | 1#小箱梁 | 5.53 | 0.439 | 0.441 |
2#小箱梁 | 5.09 | 0.470 | 0.462 | 2#小箱梁 | 5.86 | 0.465 | 0.462 |
3#小箱梁 | 4.55 | 0.420 | 0.409 | 3#小箱梁 | 5.26 | 0.418 | 0.409 |
4#小箱梁 | 3.28 | 0.303 | 0.286 | 4#小箱梁 | 3.84 | 0.305 | 0.286 |
5#小箱梁 | 1.95 | 0.180 | 0.183 | 5#小箱梁 | 2.29 | 0.182 | 0.183 |
6#小箱梁 | 1.36 | 0.126 | 0.122 | 6#小箱梁 | 1.60 | 0.127 | 0.122 |
7#小箱梁 | 0.65 | 0.060 | 0.096 | 7#小箱梁 | 0.80 | 0.065 | 0.096 |
图6 偏载0.98倍设计荷载加载实测与理论横向分布曲线对比
图7 偏载偏载0.98倍目标荷载加载实测与理论横向分布曲线对比
由表2和图6~图7可知：实测值与理论值横向分布曲线变化趋势基本一致，实测横向分布曲线较为平滑，无明显突变，与理论横向分布曲线线形吻合度较高。
2.3.2各测试断面应变及挠度测试结果
（1）应变实测值与校验系数
在0.98倍设计荷载和0.98倍目标荷载加载工况作用下箱梁应变实测值、理论值及校验系数见表3。
试验荷载下小箱梁测点应变实测值、理论值和校验系数 表3
加载等级 | 测试断面 | 主梁编号 | 测点实测弹性应变（με） | 理论应变值（με） | 校验系数
|
0.98倍设计荷载 | 1-1断面（跨中最大正弯矩） | 1#小箱梁（平均值） | 91 | 114 | 0.80 |
2#小箱梁（平均值） | 102 | 120 | 0.85 | ||
3#小箱梁（平均值） | 81 | 106 | 0.76 | ||
2-2断面（梁端最大剪力） | 2#小箱梁 | 13 | 20 | 0.65 | |
0.98倍目标荷载 | 1-1断面（跨中最大正弯矩） | 1#小箱梁（平均值） | 105 | 127 | 0.83 |
2#小箱梁（平均值） | 117 | 133 | 0.88 | ||
3#小箱梁（平均值） | 93 | 118 | 0.79 | ||
2-2断面（梁端最大剪力） | 2#小箱梁 | 14 | 24 | 0.58 |
由表3可知，某桥在0.98倍设计荷载加载工况下的应变校验系数为0.65~0.85，均小于1.0，表明该桥在正常使用状态下跨中弯矩及梁端剪力能满足设计荷载的正常使用要求；1#~3#小箱梁在0.98倍目标荷载加载工况下的应变校验系数为0.58~0.88，均小于1.0，表明上部结构预应力混凝土小箱梁在正常使用状态下跨中弯矩及梁端剪力亦能满足改造后目标荷载的正常使用要求。
（2）挠度实测值与校验系数
在偏载0.98倍设计荷载和0.98倍目标荷载加载工况作用下小箱梁挠度实测值、理论值和校验系数见表5。
偏载作用下小箱梁挠度实测值、理论值和校验系数 表5
加载等级 | 主梁编号 | 实测弹性挠度值（mm） | 理论挠度值（mm） | 校验系数
| |
0.98倍设计荷载 | 1-1断面 | 1#小箱梁 | 4.77 | 10.48 | 0.46 |
2#小箱梁 | 5.09 | 10.98 | 0.46 | ||
3#小箱梁 | 4.55 | 9.70 | 0.47 | ||
0.98倍目标荷载 | 1-1断面 | 1#小箱梁 | 5.53 | 11.67 | 0.47 |
2#小箱梁 | 5.86 | 12.23 | 0.48 | ||
3#小箱梁 | 5.26 | 10.81 | 0.49 | ||
由表5可知，在0.98倍设计荷载加载工况作用下1#~3#小箱梁测点挠度校验系数在0.46~0.47之间，均小于1.0，表明该桥竖向挠度满足设计荷载的正常使用要求，在0.98倍目标荷载加载工况作用下1#~3#小箱梁测点挠度校验系数为在0.47~0.49之间，均小于1.0，表明该桥竖向挠度满足能满足改造后目标荷载的正常使用要求。
2.3.3结构相对残余变形
（1）相对残余应变
试验荷载作用下主要测点应变相对残余应变检测结果见表6。
偏载1#~3#小箱梁测试断面应变测点相对残余应变 表6
加载等级 | 测试断面 | 主梁编号 | 实测总应变 （με） | 残余应变 （με） | 应变相对残余（%） |
0.98倍目标荷载 | 1-1断面 （跨中最大正弯矩） | 1#小箱梁 | 112 | 7 | 6.3 |
2#小箱梁 | 121 | 4 | 3.3 | ||
3#小箱梁 | 101 | 8 | 8.9 | ||
2-2断面 （梁端最大剪力） | 2#小箱梁 | 14 | 0 | 0 |
（2）相对残余挠度
偏载最大正弯矩工况下主要测点挠度相对残余变形检测结果见表7。
偏载1#~3#小箱梁跨中测点相对残余挠度 表7
工况 | 测试断面 | 箱梁编号 | 实测总挠度（mm） | 残余挠度（mm） | 挠度相对残余（%） |
0.98倍目标荷载 | （1-1断面）（跨中最大正弯矩） | 1#小箱梁 | 6.09 | 0.56 | 9.2 |
2#小箱梁 | 6.75 | 0.89 | 13.2 | ||
3#小箱梁 | 6.28 | 1.02 | 16.2 |
由表6和表7可知，在试验荷载作用下，1#~3#小箱梁跨中应变测点相对残余应变在0%~8.9%之间，1#~3#小箱梁跨中挠度相对残余应变在9.2%~16.2%之间，应变和挠度相对残余变形均小于规范容许值20.0%，表明箱梁弹性回复能力较好。
2.3.4 刚度检验
在相当于0.98倍设计荷载作用下，4辆车北偏载工况作用下为2#小箱梁实测跨中挠度最大，挠度值为5.86mm，推算至1.0倍目标荷载（不计冲击）作用下的挠度为5.11mm，仅为跨度的1/5722，远小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所规定的L/600允许值48.7mm，表明在目标荷载作用下该桥竖向刚度满足设计规范要求。
2.3.5裂缝观测
外观缺陷检查未发现该桥预应力混凝土小箱梁梁底存在明显横向裂缝，静载试验过程中，对各小箱梁梁底跨中断面进行观测，亦未发现横向裂缝产生，表明该桥预应力混凝土小箱梁抗裂性满足要求。
3．承载能力极限状态检算
由荷载试验结果可知，在0.98倍目标荷载作用下，某桥实测横向分布系数最大值为0.465（2#小箱梁），理论最大值为0.462（2#小箱梁），理论值与实测值相差不大，按最不利横向分布系数对上部结构主梁进行承载能力极限状态内力检算。
某桥预应力混凝土小箱梁正截面弯矩最不利组合值及正截面抗弯承载能力计算结果见表8，斜截面剪力最不利组合值及斜截面抗剪承载能力计算结果见表9。
公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）荷载作用下正截面抗弯承载能力计算结果 表8
检算对象 | 最不利组合弯矩(kN·m) | 正截面极限抗弯承载能力(kN·m) | 判定结果 |
公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015） | |||
2#小箱梁 | 10060 | 11900 | 满足 |
公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）荷载作用下斜截面抗剪承载能力计算结果 表9
检算对象 | 最不利组合剪力(kN) | 斜截面极限抗剪承载能力(kN) | 判定结果 |
公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015） | |||
2#小箱梁 | 1665 | 2082 | 满足 |
由表8和表9结果可知：该桥上部结构预应力混凝土小箱梁在目标荷载作用下对应最不利弯矩及剪力组合值分别小于其正截面及斜截面抗力，表明该桥上部结构预应力混凝土小箱梁的极限承载能力能满足改造后目标荷载的安全承载要求。
4．动载试验
4.1 跑车试验
本次试验选取1-1断面（2#箱梁）进行跑车试验，试验车辆10 km/h、20 km/h及30 km/h驶过桥面时，主试验车辆低速驶过桥面时，根据1-1断面主梁测点实测应变曲线分析得到的冲击系数在0.043~0.131之间，各工况下测试断面实测冲击系数μ均小于按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定所计算的冲击系数0.171，表明抗冲击性能较好。
4.2模态测试
本次结构模态测试测点主要布置在桥面两侧二分点及四分点位置，试验结果表明：竖向一阶实测振型和理论振型基本一致，且实测频率值均大于理论计算值，表明实际整体刚度较理论要好。一阶竖向自振频率对应的阻尼比为0.395%，在常值范围内。
5．结论
1、荷载试验结果表明：在相当于公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）的试验荷载作用下，该桥上部结构各测试断面实测应变、挠度校验系数均不大于1，满足规范要求，主梁竖向刚度、桥梁结构动力性能良好，亦符合规范和设计要求，表明该桥能够满足公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）正常使用的安全承载要求。
2、承载能力检算结果：在承载能力极限状态下，该桥上部结构预应力混凝土小箱梁极限承载能力能够满足目标荷载公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）的安全承载要求。
3、试验车辆低速驶过桥面时，桥梁实测冲击系数μ均小于按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定所计算的冲击系数，表明主桥抗冲击性能良好。
4、该桥竖向一阶实测振型和理论振型基本一致，且实测频率值均大于理论计算值，表明主桥实际整体刚度较理论要好，且竖向自振频率对应的阻尼比均在常值范围内。
综上所述，在正常使用极限状态下和承载能力极限状态下，该主桥上部结构能够满足目标荷载公路-Ⅰ级（依据JTG D60-2015）的承载要求，只需进行病害维修，无需加固维修就可满足桥梁升级改造要求。
参考文献
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