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摘要：本文通过对西兆通分离立交的动、静荷载试验，并结合理论分析，确定了该桥梁的承载能力及工作状态，同时针对检测出的安全隐患提出了相关的解决方案，对今后的桥梁检测与加固有一定的借鉴意义。
关键词：分离立交， 荷载试验， 检测， 加固
Abstract: this article through to the west of interchange sign separation dynamic and static load test, and combined with the theoretical analysis, to determine the carrying capacity of the bridge and the work of the state, and the safe hidden trouble detection put forward the relevant solutions and the future bridge detection and reinforcement have a certain significance.
Keywords: separation overpass, load test, test, reinforcement
中圖分类号： U448.17 文献标识码：A文章编号：
西兆通分离式立交位于京港澳高速公路K274+972处，交通流量较大。近期在日常检查工作中发现，重车通过桥面时，桥梁上部结构振感明显。经现场初步检查发现该桥存在箱梁腹板开裂、桥面破损等病害，该桥上部结构箱梁存在刚度衰减下降的隐患。为掌握西兆通立交技术状况现状和实际承载力，对该桥进行专门检查及荷载试验。
一、荷载试验概况
该分离立交上部结构为钢筋混凝土连续箱梁，跨径组合（15+17+17+15）m，下部结构为独柱式桥墩，双柱框架式桥台，桥面净宽8m，设计荷载公路-Ⅰ级。对于本次荷载试验，需要确定结构测试截面的应变分布情况，分析在试验荷载作用下桥梁的挠度情况，掌握桥梁结构的动力情况，以此对桥梁承载能力做出综合评价。
二、静载试验概况
根据全桥病害及现场实际情况，选取该分离立交第4孔为荷载试验桥孔，主要测试截面及内容如下：
1）第1孔跨中截面（A截面）测试应变沿截面高度的变化；
2）第1孔L/2、L/4、3L/4截面（A、B、C截面）的挠度变化；
3）3#墩顶截面（D截面），测试沿梁高范围内的应变变化情况及0#台、1#墩截面（E、D截面）的支点加载沉降；
图1西兆通分离式立交试验孔静载测试截面布置图（单位：cm）
本次静载试验采用2辆约45t重车分三个工况进行加载：
①工况一：A截面最大正弯矩（居中）；
②工况二：A截面最大正弯矩（偏载）；
③工况三：E截面最小负弯矩（偏载）。
静载试验各工况控制数据如表1所示。
表1 静载试验各工况控制数据
工况一对第1孔A截面（L/2）进行对称加载，测试A截面（跨中）的应变、挠度变化情况。其应力及挠度分析如下：
A（跨中）截面各测点实测应力值见表2。
表2 工况一应力测试结果
注：表中拉应力为正，压应力为负。
图2对称加载各级荷载下梁底板应力分布图
由表2可知A截面箱梁底板应变（力）测点校验系数均满足《公路桥涵承载能力检测评定规程》中普通钢筋混凝土梁桥应力校验系数规定范围，说明试验箱梁结构承载能力满足要求。由图2可知实测曲线与理论曲线接近，说明横向联系正常，且实测应变残余均小于20%， 说明结构处于较好的弹性工作状态。箱梁侧面实测应力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一致，说明测试截面变形处于正常工作状态。
表3 A截面对称加载挠度实测值单位：mm
由上表可知，该桥实测挠度残余较小，相对残余均<20%,满足试验规范的要求，说明结构整体处于弹性工作状态。
40%加载箱梁跨中挠度图
60%加载箱梁跨中挠度图
80%加载箱梁跨中挠度图
100%加载箱梁跨中挠度图
图3不同荷载跨中挠度对照图
由图3可知A截面（跨中）梁底挠度测点在各级加载下9#、12#挠度测点实测值均小于理论计算值，但10#、11#测点实测数值略大于理论计算值，但实测挠度数值连线规律性与理论值基本一致，初步推断是由于在对称试验荷载作用下箱梁结构横向翘曲引起。在工况一作用下最大级试验荷载下跨中实测挠度平均值为3.61mm，理论计算值为3.95mm，通过以上两值做比可知箱梁跨中挠度校验系数分别为0.91，不满足《公路桥涵承载能力检测评定规程》中普通钢筋混凝土梁桥挠度校验系数在0.50～0.90之间的要求，但小于1.0，说明箱梁刚度偏弱。
由于篇幅所限，这里不再列出工况二和工况三的数据。根据工况二的荷载情况，我们分析得出整个箱梁截面尚处在全截面工作阶段，在各级偏心荷载作用下，A截面承载能力满足要求，横向联系基本正常，但桥梁上部结构已处于全截面整体工作末期或已出现裂缝，箱梁跨中挠度校验系数为0.95，说明箱梁结构刚度偏弱。 根据工况三的情况，我们认为箱梁侧面实测应力沿截面高度基本呈线性变化，实测中性轴与理论值一致，说明结构处于正常工作状态，箱梁下缘受压最大的点应力效验系数为0.60，说明试验箱梁结构D截面强度满足设计要求。
三、动载试验概况
动载试验通过对桥跨关键部位在桥梁竖向、横向及纵向的位移和加速度响应信号进行长时间的测试，以明确各关键部位在目前交通下的振动情况，进而对全桥的振动特性进行分析。该桥位移幅值如下表：
表4各跨跨中位移振动响应信号统计（单位：mm）
根据《公路桥涵承载能力检测评定规程》，该桥行车试验实测的桥跨结构最大变位控制测点的垂直振幅标准值宜小于0.3，第三跨实测竖向位移略大于该值。
该桥加速度幅值统计：各跨跨中竖向振动加速度有效值介于5.7～9.69mm/s2之间，加速度标准值第二跨跨中北侧测点最大。中跨跨中横向振动加速度有效值介于4.33～7.95mm/s2之间，第一跨跨中纵向振动加速度有效值介于2.52～2.56mm/s2之间，各测点有效值相差不大。
为分析振动响应信号的频谱特征，需要明确各跨中部位振动信号的优势频率，对各个测点的振动信号进行频谱分析。该桥竖向及横向位移频谱统计如表5、表6。
表5各跨跨中竖向位移频谱统计
表6各跨跨中横向位移频谱统计
分析得出各跨跨中竖向测点优势频率基本一致。各跨跨中位置振动位移幅值的差异集中在二阶的优势频率，这与汽车荷载的特征有一定联系；中跨跨中横向测点优势频率基本一致，同侧优势频率对应位移幅值较为接近。
车桥振动会对人体产生心理和生理效应，对于行人车辆过桥时桥梁的允许振动程度目前没有统一的舒适度标准，对于振感评价指标，国内外研究均认为振感与加速度、振动频率和振动幅值等相关。根据狄克曼指标分析，该桥各跨跨中横向振动各阶优势频率对应K值在0.063～0.357之间，行人振感较小，能忍受任意长时间的振动。
对该桥的自振特性分析采用MIDAS软件，建立有限元模型（图4），运用子空间迭代法，对该桥进行模态分析，得出该桥纵向一阶、横向一阶及前两阶竖向固有频率（表7），使用INV频率计计算阻尼比。
图4 结构有限元模型
表7 动力特性参数
数据分析表明，该桥梁实测频率与理论值接近，结构刚度较理想状态略低，说明该桥动力特性较差。
四、结论及建议
综合外观调查、无损检测及荷载（动、静）试验结果，评定西兆通分离式立交存在箱梁开裂、结构整体刚度及动力性不满足规范要求等问题，应评定为四类桥。结合以上情况，建议限制超载车辆的行驶、更换桥面铺装层、对裂缝进行灌浆封闭处理，并对箱梁表面的破损、渗水位置进行修补。
桥梁的检测与加固，其目的就是要通过研究结构的工作状态，受力情况，判定桥梁的承载能力和使用条件，从而为桥梁的运营安全提供数据支持，进而制定合理的加固方案。回首近几年发生的桥梁事故，其场景触目惊心，损失极为惨重，因此桥梁检测与加固意义凸显，有关部门也日益重视。作者希望通过对西兆通分离立交检测方法及过程的介绍，为今后这方面的工作提供有意义的参考。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：分离立交， 荷载试验， 检测， 加固
Abstract: this article through to the west of interchange sign separation dynamic and static load test, and combined with the theoretical analysis, to determine the carrying capacity of the bridge and the work of the state, and the safe hidden trouble detection put forward the relevant solutions and the future bridge detection and reinforcement have a certain significance.
Keywords: separation overpass, load test, test, reinforcement
中圖分类号： U448.17 文献标识码：A文章编号：
西兆通分离式立交位于京港澳高速公路K274+972处，交通流量较大。近期在日常检查工作中发现，重车通过桥面时，桥梁上部结构振感明显。经现场初步检查发现该桥存在箱梁腹板开裂、桥面破损等病害，该桥上部结构箱梁存在刚度衰减下降的隐患。为掌握西兆通立交技术状况现状和实际承载力，对该桥进行专门检查及荷载试验。
一、荷载试验概况
该分离立交上部结构为钢筋混凝土连续箱梁，跨径组合（15+17+17+15）m，下部结构为独柱式桥墩，双柱框架式桥台，桥面净宽8m，设计荷载公路-Ⅰ级。对于本次荷载试验，需要确定结构测试截面的应变分布情况，分析在试验荷载作用下桥梁的挠度情况，掌握桥梁结构的动力情况，以此对桥梁承载能力做出综合评价。
二、静载试验概况
根据全桥病害及现场实际情况，选取该分离立交第4孔为荷载试验桥孔，主要测试截面及内容如下：
1）第1孔跨中截面（A截面）测试应变沿截面高度的变化；
2）第1孔L/2、L/4、3L/4截面（A、B、C截面）的挠度变化；
3）3#墩顶截面（D截面），测试沿梁高范围内的应变变化情况及0#台、1#墩截面（E、D截面）的支点加载沉降；
图1西兆通分离式立交试验孔静载测试截面布置图（单位：cm）
本次静载试验采用2辆约45t重车分三个工况进行加载：
①工况一：A截面最大正弯矩（居中）；
②工况二：A截面最大正弯矩（偏载）；
③工况三：E截面最小负弯矩（偏载）。
静载试验各工况控制数据如表1所示。
表1 静载试验各工况控制数据
工况一对第1孔A截面（L/2）进行对称加载，测试A截面（跨中）的应变、挠度变化情况。其应力及挠度分析如下：
A（跨中）截面各测点实测应力值见表2。
表2 工况一应力测试结果
注：表中拉应力为正，压应力为负。
图2对称加载各级荷载下梁底板应力分布图
由表2可知A截面箱梁底板应变（力）测点校验系数均满足《公路桥涵承载能力检测评定规程》中普通钢筋混凝土梁桥应力校验系数规定范围，说明试验箱梁结构承载能力满足要求。由图2可知实测曲线与理论曲线接近，说明横向联系正常，且实测应变残余均小于20%， 说明结构处于较好的弹性工作状态。箱梁侧面实测应力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一致，说明测试截面变形处于正常工作状态。
表3 A截面对称加载挠度实测值单位：mm
由上表可知，该桥实测挠度残余较小，相对残余均<20%,满足试验规范的要求，说明结构整体处于弹性工作状态。
40%加载箱梁跨中挠度图
60%加载箱梁跨中挠度图
80%加载箱梁跨中挠度图
100%加载箱梁跨中挠度图
图3不同荷载跨中挠度对照图
由图3可知A截面（跨中）梁底挠度测点在各级加载下9#、12#挠度测点实测值均小于理论计算值，但10#、11#测点实测数值略大于理论计算值，但实测挠度数值连线规律性与理论值基本一致，初步推断是由于在对称试验荷载作用下箱梁结构横向翘曲引起。在工况一作用下最大级试验荷载下跨中实测挠度平均值为3.61mm，理论计算值为3.95mm，通过以上两值做比可知箱梁跨中挠度校验系数分别为0.91，不满足《公路桥涵承载能力检测评定规程》中普通钢筋混凝土梁桥挠度校验系数在0.50～0.90之间的要求，但小于1.0，说明箱梁刚度偏弱。
由于篇幅所限，这里不再列出工况二和工况三的数据。根据工况二的荷载情况，我们分析得出整个箱梁截面尚处在全截面工作阶段，在各级偏心荷载作用下，A截面承载能力满足要求，横向联系基本正常，但桥梁上部结构已处于全截面整体工作末期或已出现裂缝，箱梁跨中挠度校验系数为0.95，说明箱梁结构刚度偏弱。 根据工况三的情况，我们认为箱梁侧面实测应力沿截面高度基本呈线性变化，实测中性轴与理论值一致，说明结构处于正常工作状态，箱梁下缘受压最大的点应力效验系数为0.60，说明试验箱梁结构D截面强度满足设计要求。
三、动载试验概况
动载试验通过对桥跨关键部位在桥梁竖向、横向及纵向的位移和加速度响应信号进行长时间的测试，以明确各关键部位在目前交通下的振动情况，进而对全桥的振动特性进行分析。该桥位移幅值如下表：
表4各跨跨中位移振动响应信号统计（单位：mm）
根据《公路桥涵承载能力检测评定规程》，该桥行车试验实测的桥跨结构最大变位控制测点的垂直振幅标准值宜小于0.3，第三跨实测竖向位移略大于该值。
该桥加速度幅值统计：各跨跨中竖向振动加速度有效值介于5.7～9.69mm/s2之间，加速度标准值第二跨跨中北侧测点最大。中跨跨中横向振动加速度有效值介于4.33～7.95mm/s2之间，第一跨跨中纵向振动加速度有效值介于2.52～2.56mm/s2之间，各测点有效值相差不大。
为分析振动响应信号的频谱特征，需要明确各跨中部位振动信号的优势频率，对各个测点的振动信号进行频谱分析。该桥竖向及横向位移频谱统计如表5、表6。
表5各跨跨中竖向位移频谱统计
表6各跨跨中横向位移频谱统计
分析得出各跨跨中竖向测点优势频率基本一致。各跨跨中位置振动位移幅值的差异集中在二阶的优势频率，这与汽车荷载的特征有一定联系；中跨跨中横向测点优势频率基本一致，同侧优势频率对应位移幅值较为接近。
车桥振动会对人体产生心理和生理效应，对于行人车辆过桥时桥梁的允许振动程度目前没有统一的舒适度标准，对于振感评价指标，国内外研究均认为振感与加速度、振动频率和振动幅值等相关。根据狄克曼指标分析，该桥各跨跨中横向振动各阶优势频率对应K值在0.063～0.357之间，行人振感较小，能忍受任意长时间的振动。
对该桥的自振特性分析采用MIDAS软件，建立有限元模型（图4），运用子空间迭代法，对该桥进行模态分析，得出该桥纵向一阶、横向一阶及前两阶竖向固有频率（表7），使用INV频率计计算阻尼比。
图4 结构有限元模型
表7 动力特性参数
数据分析表明，该桥梁实测频率与理论值接近，结构刚度较理想状态略低，说明该桥动力特性较差。
四、结论及建议
综合外观调查、无损检测及荷载（动、静）试验结果，评定西兆通分离式立交存在箱梁开裂、结构整体刚度及动力性不满足规范要求等问题，应评定为四类桥。结合以上情况，建议限制超载车辆的行驶、更换桥面铺装层、对裂缝进行灌浆封闭处理，并对箱梁表面的破损、渗水位置进行修补。
桥梁的检测与加固，其目的就是要通过研究结构的工作状态，受力情况，判定桥梁的承载能力和使用条件，从而为桥梁的运营安全提供数据支持，进而制定合理的加固方案。回首近几年发生的桥梁事故，其场景触目惊心，损失极为惨重，因此桥梁检测与加固意义凸显，有关部门也日益重视。作者希望通过对西兆通分离立交检测方法及过程的介绍，为今后这方面的工作提供有意义的参考。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。