某黄河公路大桥荷载试验方案

山东东营黄河公路大桥荷载试验方案哈尔滨工业大学长沙理工大学公路工程试验检测中心二〇〇五年五月山东东营黄河公路大桥荷载试验方案山东东营黄河公路大桥荷载试验方案东营黄河公路大桥荷载试验方案哈尔滨工业大学和长沙理工大学公路工程试验检测中心受山东省东营黄河公路大桥工程建设项目办公室和山东省交通建设质量监督站的委托，对东营黄河公路大桥主桥进行荷载试验，检测内容主要是连续刚构桥的静载和动载试验。

现提交荷载试验方案如下。

一、荷载试验目的桥梁结构荷载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种鉴定手段。

由于大桥的跨径较大，设计、施工技术难度较大，另外，根据国家有关规定，大型桥梁竣工后应进行生产鉴定性质的试验，因此，本次交工荷载试验力求达到以下目的：1. 通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，检验本桥设计与施工质量，确定工程的可靠性，为竣工验收提供技术依据；2. 直接了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能；3. 验证设计理论、计算方法和设计中的各种假定的正确性与合理性，为今后同类桥梁设计施工提供经验和积累科学资料；4. 通过动载试验测定桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用荷载阶段的动力性能，评估实际结构的动载性能；5. 通过荷载试验，建立桥梁健康模型，记录桥梁健康参数。

二、荷载试验依据(1)．《东营黄河公路大桥及接线工程－两阶段施工图设计（修订版）》（主桥工程）；(2)．《东营黄河公路大桥工程监测工作服务合同协议书》；(3)．中华人民共和国交通部部颁标准《公路桥涵设计规范》（89）；(4)．中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTJ 071－98）；(5)．中华人民共和国交通部部颁文件《公路工程竣工验收办法》（交公路发[1995]1081号文）；(6)．中华人民共和国行业标准《公路桥涵养护规范》（JTJ H11－2004）；(7)．《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（“铁组”YC4－4/1978科研专题）；(8)．中华人民共和国交通部《公路工程技术标准》（JTJ 001－97）。

三、工程概述东营黄河公路大桥工程位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，在现胜利黄河大桥下游约5公里处跨越黄河，距黄河入海口约70km，是目前黄河下游地最后一座桥梁。

该项目是国家规划的“五纵”、“四横”干线公路网及山东省综合运输网主框架的重要组成部分，是胶东半岛、黄河三角洲与京津唐地区联系的重要通道。

东营黄河公路大桥按高速公路标准建设，全长2743.1m，为双向4车道，桥宽26m，设计行车速度100km/h，设计荷载汽－超20，挂－120；主桥为116+200+220+200+116m 预应力混凝土刚构一连续组合梁，主墩为壁厚1.8m、中心距8m的双薄壁墩；其他各墩均为矩形截面实体墩；引桥为45孔跨径42m的先简支后连续的箱梁，下部为直径1.8m的钢筋混凝土柱式墩。

全桥均为钻孔灌注桩基础。

该桥的承建单位是中铁十四局三公司。

桥型立面布置图参见图1。

图1 东营黄河公路大桥主桥静、动载试验测试断面布置图四、荷载试验内容东营黄河公路大桥荷载试验的内容如下：1 静载试验1）测试试验桥主梁控制截面的最不利弯矩，刚构墩墩顶截面、墩底截面最不利弯矩。

连续梁跨中弯矩与刚构墩弯距是桥梁的设计控制指标，跨中混凝土应力和刚构墩应力能较好地反映设计和施工质量情况。

2）支点、1/4截面最不利剪力和主拉应力加载试验。

支点截面的剪力是设计中的重要控制参数，而1/4截面的主拉应力往往是影响箱梁腹板开裂的重要因素。

3）测试主梁控制截面挠度及刚构墩墩顶水平位移。

满足正常使用对结构的刚度要求，体现在跨中挠度应小于设计计算值或规范规定的允许值。

测试断面及测点布置见图1和图2，静载试验过程测试图中所示各测试截面应力及沿截面高度的分布规律，1－1、2－2、3－3截面挠度，7#、8#、11#、12#墩支座纵向水平位移，9#墩墩顶10#、11#断面纵向水平位移。

2 动载试验测定主桥结构的自振特性、受迫振动特性、动应力、动位移。

测试断面及测点布置见图1和图2，动载试验过程应测试全桥结构1～5阶自振特性（包括自振频率、振型和阻尼特性），在动荷载作用下，受迫振动的振动特性（包括频率、振型、振幅、加速度和动力系数等），图中所示各测试截面在动荷载作用下的动应力及沿截面高度的分布规律，图中1－1、2－2、3－3截面动挠度，9#墩顶、10#、11#断面纵向水平位移，7#、8#、11#、12#墩支座纵向水平位移。

具体试验项目为：1) 脉动试验，用于测定结构固有振动特性（振型、临界阻尼比、固有模态频率）；2) 无障碍行车试验，主要用于测定桥面铺装层完好时在运行车辆荷载作用下桥跨结构的动力反应；3) 有障碍行车试验，模拟桥面铺装层局部损伤，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应；4) 刹车试验，测试车辆紧急刹车的应力动态增大效应系数和主梁的纵向漂移位移。

3 主桥技术状况检查主要内容为：结构尺寸，各部位高程、桥面平整度、支座位置、工程材料的物理力学性能、结构缺陷、裂缝、损坏等情况，以及加载过程中和试验完成后结构的检查对比。

具体按交通部《公路工程质量检验评定标准》进行，其中部分无法测得的，施工过程中已完成的结构尺寸和工程材料的物理力学性能等内容参照监理提供的数据。

4 桥梁受力空间有限元模型及其分析建立该桥空间有限元模型，对其进行活荷载作用下的受力分析，将计算结果与设计结果进行比较（业主提供横荷载和活荷载作用下桥梁受力和变形的设计结果），将其作为该桥的基本模型。

在成桥试验后，根据荷载试验结果，将进一步修正该有限元模型，以作为该桥梁的健康模型。

五、测试方法和测点布置根据上述测试内容，采用精密水准仪在桥面上对支座处、跨中、截面的挠度进行同步观测。

其中各工况的每一个加、卸载均进行全桥的水准测量、梁的水平位移测量和梁端转角测量，而应变测量主要进行图1中测试截面的应变测量工作。

(1) 结构静应变测试主要采用光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器。

主梁各截面的应变测点布置见图2。

图2 箱梁截面测点示意图(2) 挠度（沉降）测试仪器和方法。

采用水准仪测量，挠度测点布置见图3。

(3) 主梁纵向水平位移和梁端转角分别采用全站仪和转角仪。

桥墩桥墩跨中图3 水准测量测点布置示意图(4) 测量结构温度场测试主要采用光纤光栅温度传感器。

(5) 动力测试主要仪器为：传感器用超低频加速度传感器，最低测试频率可达0.05Hz ，分析系统采用CRAS 信号采集和分析系统以及INV 智能信号自动采集处理分析系统。

六、静载试验加载车辆与荷载效率1 静载试验车辆本次荷载试验车辆由业主组织，试验中共需30t 车辆18辆，其前轴重量为6t ，两后轴重量均为12t 。

试验车辆主要技术指标见下表，车辆需配重，并过磅。

表1 自 卸 车 技 术 指 标2 静载试验荷载效率桥梁静力荷载试验主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形与内力，确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符。

它是检验桥梁结构实际性能，如结构的强度、刚度等最直接有效的办法。

本桥单幅桥面宽为12.8米，两侧各0.5m 防撞墙。

根据汽超－20、挂－120的设计荷载标准，采用等效荷载的原则，在所测试截面的内力影响线上，按最不利位置进行布载，计算出跨中控制截面在试验荷载作用下的最大内力值，它与按设计规范要求布置荷载作用下的跨中控制截面的理论内力值的比值即是静载试验荷载效率η。

桥梁的静力试验按荷载效率η来确定试验的最大荷载，静力荷载效率η的计算公式为：δη⨯=S S stat 式中：stat S ：试验荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；S ：设计标准荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；δ ：设计取用的动力系数，取为1。

本次试验为成桥荷载试验，根据《试验方法》要求，静力荷载效率η取值宜在0.8～1.05之间。

通过反复比较计算，拟采用的静力荷载效率η值在0.87～1.03之间，符合《试验方法》的要求。

进行荷载试验布载时，考虑到原合同方案中的墩顶最大纵向位移方案中，加载后最大纵向位移仅6mm ，其测试已没有工程意义，考虑增加刚构桥墩9－9截面的最大弯距作为试验工况，测试墩身受力和变形情况。

荷载试验时，根据静载数量和桥梁跨径等条件，分成3级加载，分别为控制截面内力的60%、80%、100%。

在某一加载实验项目中，加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后分次卸到零荷载。

七、试验车辆布置以下图中尺寸均以厘米计。

1．中跨1-1截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图4 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η95.03418732474=⋅⋅=⨯=mkN m kN S S stat δη 2．次边跨2-2截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图5 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η95.0374*******=⋅⋅=⨯=mkN m kN S S stat δη3．边跨3-3截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图6 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η90.0479*******=⋅⋅=⨯=mkN m kN S S stat δη 4．中跨12-12截面最大负弯矩工况（1）荷载布置图图7 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η96.0171909164225=⋅-⋅-=⨯=mkN m kN S S stat δη 5．中跨4-4截面最大剪力工况（1）荷载布置图图8 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η96.026872569==⨯=kNkN S S stat δη 6．次边跨6-6截面最大剪力工况（1）荷载布置图图9 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η91.022332031==⨯=kNkN S S stat δη 7．次边跨14-14截面最大剪力工况（1）荷载布置图图10 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η92.030812833==⨯=kNkN S S stat δη 8．9＃墩9截面最大弯距工况（1）荷载布置图图11 加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η87.01201110394=⋅⋅=⨯=mkN m kN S S stat δη八、动载试验动载试验主要是测试桥梁结构的自振和受迫振动特性，借以分析桥梁的抗震能力和冲击系数。

1 桥梁自振特性测试（脉动试验）脉动试验利用桥梁在各种随机环境激励（包括地脉动、风、水流等等）下引起的振动响应，采集速度信号，分析得到桥梁结构的固有振动特性（固有频率、振型和阻尼比），为桥梁的动力响应分析（抗风、抗震、动荷载响应分析等等）提供参数。

对于本桥，主要测试前3阶主梁竖向弯曲振型的固有振动特性。