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1 本設計的研究內(nèi)容

30 m簡支箱梁是公路及城市橋梁廣泛采用的結構形式，橋梁承載力評定重要依據(jù)是橋梁荷載試驗。

（1）查找相關文獻資料，熟悉橋梁設計資料；（2）根據(jù)設計圖紙，對箱梁的結構進行分析；（3）根據(jù)橋梁結構的有限元分析方法，設計制定箱梁的靜、動力荷載試驗方案；（4）計算試驗荷載作用下控制測點的應力、撓度值；（5）合理選擇試驗設備，確定控制測點的應力、撓度的測試方法；（6）對橋梁結構進行固有頻率分析，制定橋梁的動力試驗方案；（7）通過荷載試驗方案的設計了解試驗應力分析在工程實際中的應用，掌握橋梁結構的有限元分析方法，了解橋梁荷載試驗的全過程。

2 簡支箱梁的結構特點與其應用

預應力混凝土簡支箱梁是因內(nèi)部空心、上部兩端有翼的一種類似箱子的構造特點而得名。由于其由一根兩端分別支撐在一個活動支座和一個鉸支座上的梁作為主要承重結構的梁橋，屬于靜定結構。箱型梁應用十分廣泛，建筑材料從一開始的混凝土逐漸到鋼材，如現(xiàn)在流行的鋼箱梁。預應力鋼筋混凝土箱梁根據(jù)澆筑過程，可分為預制箱梁與現(xiàn)澆箱梁。預制箱梁是在施工現(xiàn)場以外的獨立地方澆筑，使用架橋機等架橋設備將預制好的箱梁架到橋墩上，節(jié)省了澆筑梁的養(yǎng)護時間、工期。現(xiàn)澆箱梁應用于大型的大跨徑的梁橋，一般是由簡支到連續(xù)梁的過渡。

箱梁采用鋼筋混凝土結構的已較少，跨徑在20～50 m的范圍內(nèi)，大部分采用預制拼裝后張法預應力混凝土箱形梁。其預應力體系所采用的是鋼絞線群錨，梁采用預制箱梁，再用架橋機進行架設。混凝土標號一般在40～60號范圍內(nèi)；其內(nèi)部形狀有梯形與八邊形，本設計中所采用的是單箱單室內(nèi)梯形簡支梁，梁長30 m，寬3.7 m。

2.1 箱型梁橋的設計與受力特點

預應力簡支箱型梁橋的結構特點是兩端分別支撐在一個活動支座和一個鉸支座上，在豎向荷載作用下，梁體承受彎矩，不產(chǎn)生水平力。橋面簡支是在簡支結構的基礎上，在墩頂處簡單鋪設，相比連續(xù)橋伸縮縫的數(shù)量較少，其架設方便性與施工便利性相比連續(xù)橋更高。預應力簡支箱梁橋設計時的步驟一般為：根據(jù)以往資料，查閱相關資料文獻，熟悉橋梁設計資料；根據(jù)設計圖紙，利用MIDAS建立箱梁的有限元模型，按剛接板法考慮橫向分布，分析結構的受力特點，通過結構驗算，校核結構強度，確定試驗控制截面；計算結構的設計控制內(nèi)力，選擇合適的荷載試驗加載方案；計算試驗荷載作用下控制測點的應力、撓度值；合理選擇試驗設備，確定控制測點的應力、撓度的測試方法。

對橋梁結構進行固有頻率分析，制定橋梁的動力試驗方案；再進行強度、剛度、穩(wěn)定性驗算。若驗算不能滿足要求，應通過改變加載方法等重新設計、驗算，直到各項驗算均通過為止。預應力簡支梁橋?qū)儆趩慰嘴o定結構，由于其受力明確、構造簡單，施工方便且應用頗廣。作用在箱梁上的荷載主要有恒載和活載，恒載是對稱的，活載兩者均可，但更多情況下是有偏心作用的。在偏心荷載的作用下，箱梁將有可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、總向彎曲、畸變和橫向撓曲4種變形。實體梁橋三維模型如圖1所示，實體梁橋橫斷面圖如圖2所示。

圖1 實體梁橋三維模型

圖2 實體梁橋橫斷面圖

3 靜載試驗的試驗方案

3.1 試驗荷載工況的確定

在進行試驗荷載工況的確定時，結構不復雜的橋梁結構如簡支箱梁、簡支T梁等可以自行選取1個或2個工況進行荷載試驗；但對于復雜的橋梁結構，應根據(jù)具體情況進行確定，一般情況下可以取2個或3個工況。

3.2 試驗荷載等級的確定

在確定試驗荷載的等級與所加荷載的位置時，一般用靜力荷載試驗效率ηq控制，其計算公式如下：

式中：Ss——試驗荷載作用下控制截面內(nèi)力值；S′——設計荷載作用下控制截面內(nèi)力值；μ——沖擊系數(shù)；ηq——靜力試驗荷載效率。

為了保證試驗結果的準確性，應該按照規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）的規(guī)定宜介于0.95～1.05之間進行判定。

4 動載試驗的試驗方案

4.1 動載試驗的目的

測試時車輛運行所引起的橋梁結構的振動周期與頻率可能會與橋梁自身的振動頻率與周期同步，會引起共振，破壞橋梁內(nèi)部構造，甚至會引起橋梁的大范圍性破損。

動載試驗的目的：（1）通過橋梁的動載試驗，對橋梁的運行能力與承載能力進行評判；（2）通過橋梁的動載試驗，為橋梁將來發(fā)生舊損進行維護而提供資料。

4.2 動載試驗的方法

（1）自振法（瞬態(tài)激振法）：①突然加載法（沖擊法）；②突然卸載法（位移激振法）。（2）共振法（強迫振諧法）。（3）脈動法。

4.3 動載試驗與結果評判

橋跨結構的動載試驗完成后，一般需要通過以下幾個點來對其動力特性進行評價。（1）把實際所測值與理論計算值進行對比，如果是測值比較大，說明橋梁剛度足夠，不易發(fā)生開裂等毀壞現(xiàn)象。（2）通過實測所測出的沖擊系數(shù)對橋跨結構的行車性能進行評判，如沖擊系數(shù)較小，則橋梁的行車性能不好，反之則較好。（3）通過實測所測的活載加速度，評判橋跨結構的行車舒適性，根據(jù)研究資料可知，如果實測加速度小于重力加速度g，則乘客會感到舒適，反之則不適。（4）通過實測所測的橋跨結構阻尼比可以反映橋梁在受到外界影響時，其所耗散的能力，一般情況下橋跨結構的阻尼比在0.01～0.08之間，如果阻尼比越大，則說明其耗散能力越強；反之，越弱。

5 荷載試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 靜載試驗效率的確定

靜載加載效率η按下式確定：

式中：Ss——試驗荷載作用下控制截面內(nèi)力值；S——設計荷載作用下控制截面內(nèi)力值；μ——沖擊系數(shù)（平板掛車、履帶車、重型車輛的μ=0）。

經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，靜載加載效率η滿足規(guī)范規(guī)定的范圍（0.95～1.05之間），說明試驗車輛加載符合要求。

5.2 靜載試驗分析撓度理論值

使用過程中，預應力混凝土在自身的荷載作用下與其他荷載一起作用將會產(chǎn)生變形，如果其彎曲變形過大，影響混凝土的正常使用，橋梁應該具有一定的剛度，確保橋梁的正常使用。根據(jù)《公路橋梁和涵洞規(guī)定》中所規(guī)定，鋼筋混凝土受彎構件長期撓度值，消除了其由于自身重量引起的長期撓度不超過以下規(guī)定限制值：梁式橋主梁的最大撓度處為L/600，梁式橋主梁懸臂端處為L/300。

5.3 靜載試驗應力、應變理論值分析

根據(jù)材料力學公式：

式中：M——橫截面上的彎矩值；y——所求應力點相對于中性軸縱坐標；IZ——橫截面對中性軸z的慣性矩。

通常情況下，橋梁檢測中采用微應變，應變計算：

式中：E——材料彈性模量。

根據(jù)公式σ=可得每個測點的應力值，根據(jù)公式ε=，可知所有測點的應變值。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，預應力混凝土橋的應變校驗系數(shù)范圍應該在0.60～0.90，根據(jù)實測應變值和理論計算值的比較，測點的應變校驗系數(shù)符合規(guī)范要求，說明所測混凝土簡支箱橋梁的結構滿足使用的要求。

5.4 動載理論試驗結果

橋梁動載試驗可以通過通車、剎車、跳車、脈動測試等試驗方法，得到橋梁結構的動力特性指標。模型一階振型圖如圖3所示，模型三階振型圖如圖4所示。

圖3 模型一階振型圖

圖4 模型三階振型圖

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，所試驗的橋梁結構的阻尼系數(shù)等力學特性與橋梁結構本身的結構形式、剛度、所用材料有關，與其他外在條件如荷載等無關。動載試驗中，可利用麥達斯軟件獲取大量所測橋梁結構振動系統(tǒng)的各種振動量，如應變、應力、加速度等的時間曲線。由于橋梁結構的實際振動復雜，一般是隨機的，根據(jù)信號或數(shù)據(jù)直接分析判斷結構振動的性質(zhì)和規(guī)律較為困難，一般情況下需對實測振動波形進行處理與分析，方便對結構的動態(tài)性能做進一步分析。常用的分析處理方法有時域和頻域分析兩種方法。根據(jù)模型可以測試出理論頻率與現(xiàn)場實測頻率，二者對比，則可以得出該簡支箱型梁橋的動剛度大小，以評定簡支箱梁動力特性的優(yōu)劣。

反應和動力特性可以成為該預應力簡支箱梁橋的靜、動力特性的評判依據(jù)，所以橋梁的動載試驗和靜載試驗可以全面有效對橋梁是否能夠正常運行進行檢驗。

6 結語

（1）簡支箱型橋梁結構的靜載試驗，在橋梁結構確定的位置上施加靜止的荷載，得出橋梁的內(nèi)力、應變、撓度等數(shù)據(jù)，對測試的橋梁結構的通行能力與承載能力做出評判。（2）簡支箱型橋梁結構的動載試驗是根據(jù)實際車輛通過時而用儀器測試的相關參數(shù)、數(shù)據(jù)分析橋梁自身的承載能力與施工質(zhì)量，同時也可以對橋梁的自身結構特性如振動特性等進行研究。（3）通過建立簡支箱梁型梁橋的有限元模型，對所建立的有限元模型進行進一步分析與總結，得出所測試的橋梁結構的靜力反應和動力特性，可以成為該預應力簡支箱梁橋的靜、動力特性的評判依據(jù)，所以橋梁的動載試驗和靜載試驗可以對橋梁是否能夠正常運行進行檢驗。