大跨徑非對稱獨塔斜拉橋荷載試驗分析

李翔 端茂軍 魏洋 李國芬 程勛煜

摘 要：為詳細地評定某斜拉橋的實際承載能力及狀況，本文通過對該橋進行靜動載試驗，測試并分析靜載試驗中主梁控制截面的應變、橋面板局部應變、主梁撓度、塔頂縱向偏位及塔根應變等靜力參數，以及在動載試驗中測試橋梁的沖擊系數、自振頻率和振型等動力響應參數。分析結果表明：各測點的實測數據與計算一般都較為吻合，部分測點校驗系數大于1.0，動載試驗中部分沖擊系數大于計算值，阻尼比為0.338%～1.115%，表明結構承載能力的偏低。該研究結論對同類橋梁承載能力分析具有一定的意義。

關鍵詞：斜拉橋;靜載試驗;動載試驗;承載能力

中圖分類號： U446.1 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2019）05-0091-07

Abstract：In order to evaluate the actual bearing capacity and condition of a cable-stayed bridge in detail， the static and dynamic load tests of the bridge are carried out to test and analyze the static parameters such as the strain of the main girder control section， the local strain of the bridge deck， the deflection of the main girder， the vertical deviation of the tower top and the strain of the tower root， and the dynamic response of the bridge， such as impact coefficient， natural frequency and mode of vibration. The analysis results show that the measured data of each measuring point are generally in good agreement with the calculation. The check coefficient of some measuring points is greater than 1.0， and the impact coefficient is greater than the calculated value in the dynamic load test. The damping ratio is 0.338%-1.115%， which indicates that the bearing capacity of the structure is low. The research conclusion has certain significance for the analysis of the bearing capacity of similar bridges.

Keywords：Cable-stayed bridge; static load test; dynamic load test; bearing capacity

0 引言

獨塔斜拉橋是近二十年發展起來的一種新型橋梁結構[1-2]。此外在橋梁運營期間，特別是沿海地區，鋼筋銹蝕、混凝土碳化等因素會引起橋梁承載能力的變化[3-4]，荷載試驗則是了解實際橋梁結構工作性能的方法[5]。

周磊等[6]對主跨跨徑為380 m的斜拉橋伍佐河特大橋、石兆敏等[7]對主跨480 m的鋼-混凝土組合梁斜拉橋椒江二橋主橋、黃宛昆等[8]對一座165 +115 m的單塔單索面斜拉橋、羅鴻等[9]對主跨跨徑為 386 m 的雙塔雙索面斜拉橋、向勇等[10]對鋼桁架斜拉橋、Slo-boda Bridg和Bayraktar等[11]對主跨351 m的雙塔單索面斜拉橋 Nissibi Bridge、劉永健等[12]對一座主跨206 m的無背索斜塔斜拉橋、李元兵等[13]對主跨 1 088 m的蘇通大橋進行了荷載試驗驗證了這些大橋在試驗荷載作用下承載能力是否符合設計要求。

筆者以某大跨徑非對稱獨塔斜拉橋為背景，在運營監測中發現主梁持續下撓的狀況下對大橋的承載能力通過荷載試驗分析，以期深入研究同類橋梁力學性能提供依據。

1 工程概況

某橋為大跨徑非對稱獨塔斜拉橋跨徑組合是111.8 m+180 m，結構形式采用雙索面布置，斜拉索主跨和邊跨各29對。主梁采用預應力混凝土箱梁，單箱單室截面，箱梁寬度為24 m，中心梁高184.5 cm，兩側邊緣高度為1.7 m，橋塔為“H”型箱形截面，塔高108 m。橋梁立面圖布置如圖1所示。

經過長時間的運營，對該橋的監測發現主梁持續下撓，主梁下撓最大處達到19 cm，基于橋梁當前的健康現狀，為能詳細地分析評定該橋的承載能力，對該橋進行了橋梁靜動載試驗。

2 靜載試驗

2.1 靜載試驗工況和測點布置

靜載試驗是將可以產生等效于設計作用效應的試驗車輛施加在橋面的指定位置，采集結構在等效試驗荷載作用下的靜位移、靜應變等參數，對橋梁在設計作用下的工作性能及承載能力進行評價[14-16]。

靜載試驗工況選擇的測試截面為：主跨距橋塔140.66 m處（截面A）、邊跨距橋塔38.66 m（截面B）、橋塔根部距橋面1.5 m（截面C）和塔頂（截面T）。選取H18號索為最大索力測試索，塔頂為最大偏位測試控制點，主梁主跨撓度測點19為最大撓度測試控制點，橋梁荷載試驗主要控制截面及測點，如圖1所示。

應用有限元軟件Ansys軟件建立橋梁模型，該橋的全橋空間模型如圖2所示。

由模型計算結果得出，此次靜載試驗共采用12輛載重卡車作為試驗加載車輛，每車配重至300 kN，橋梁荷載試驗共兩個工況，其中工況一為主跨分三級加載，工況二為邊跨分兩級加載，靜載試驗加載車輛布置如圖3所示，計算得到的斜拉橋靜載試驗工況試驗效率見表1。由表1可以得到每個控制目標下試驗效率均滿足《公路橋梁承載能力評定規程》（JTG/T J21-2011）中規定的0.95≤η≤1.05。

2.2 靜載試驗結果分析

2.2.1 主梁及橋面板局部應變

梁肋A截面在工況一及B截面在工況二作用下測點應變隨梁高變化規律分別如圖4和圖5所示。

應變校驗系數中A截面的測點Z4、Z6、Z7、Z8的校驗系數超過1.0，說明此工況下主梁結構的強度較差。B截面的校驗系數在0.62～0.88。主要控制點的相對殘余應變Sp/St最大值為10.3%，殘余應變滿足規范要求。

主梁橋面板局部應變結果對應于工況一的第一級加載，橋面板下表面應變實測與計算值分布如圖6所示，分布規律較吻合，橫橋向實測應變值一般都大于計算值，經計算校驗系數最大值1.80（橫橋向）、1.15（縱橋向），均不滿足規范中要求的校驗系數小于1.0的規定。

2.2.2主梁撓度

主梁最大變形發生在工況一第三級加載作用下，主梁豎向位移測點布置如圖7所示。

實測（上游側、下游側）與計算變形沿橋長方向的分布如圖8所示，從圖8中可以看出主梁實測值一般小于計算值，邊跨上游實測值部分測點大于理論值，上游側和下游側的實測變形基本相同，主梁沿橋長方向的變形分布規律與計算較為吻合，主要測點的校驗系數均為0.93左右，校驗系數偏大，說明結構剛度偏低。相對殘余變形最大值為1.9%，說明橋梁處于較好的彈性工作狀，滿足規范要求。

2.2.3 塔頂位移和塔根部應變

塔頂最大位移和塔根部（截面C）最大受力均發生在工況一第三級加載作用下，經分析塔頂位移校驗系數和相對殘余變位均滿足要求，但校驗系數偏高。主塔截面C應變測點布置如圖9所示，其中括號內的測點為上游側主塔應變測點。

應變測點分析數據見表2，由表2可以看出除了沒有測出的數據，塔根截面C的應變校驗系數均滿足要求。

2.2.4 斜拉索索力增量

斜拉橋斜拉索在工況一第三級加載作用下增量最大，其主要控制（上游側、下游側）斜拉索（H14～H20）索力分布如圖10所示，各檢測索的索力實測分布規律與計算較為吻合，但大部分實測值大于計算值，上游側和下游側的實測索力基本一致，校驗系數在1.00～1.24之間，不滿足校驗系數小于1.0的要求。

3 動載試驗

當結構的物理特性發生變化時，不但靜力特性發生變化，而且動力特性也發生變化，這一變化對于現狀評估有重要意義[17-19]。

3.1 自振特性

該橋自振特性參數測定采用941B傳感器進行測定（哈爾濱工力所生產），傳感器信號采用北京東方振動測試技術研究所生產的INV3062A信號采集儀進行數據采集，并用DASP2010工程版軟件進行分析與處理。自振特性測點布置如圖11所示，其中T表示橫橋向布置，V表示豎橋向布置，L表示縱橋向布置。該橋自振特性試驗的固有模態參數分析（自振頻率、模態振型）見表3，實測各階模態對應的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，其中阻尼比無計算數據。由于篇幅有限，計算模態與實測模態取前三階展示，如圖12～圖14所示。

該橋實測各階次自振頻率均略大于計算值，說明橋梁整體稍優于設計狀態，實測阻尼比偏低，說明橋梁減振性能較差，實測各階次的模態振型與計算基本一致。

3.2 強迫振動試驗

強迫振動試驗中，實測沖擊系數見表4。

由表4可見沖擊系數隨著車速的增大而增加，且與路面平整度有關，當橋面平順性不佳或鋪裝層有坑槽等病害對橋跨結構的沖擊作用明顯增加。根據試驗結果，當載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時，大于本橋的設計沖擊系數1.05。

4 結論

（1）在靜載試驗工況作用下，各實測數據與計算值一般都較吻合，但校驗系數偏大，說明結構剛度偏低，部分測點校驗系數大于1.0，不滿足驗系ζ數值不大于1.0的規定，說明結構承載能力的安全儲備偏低。

（2）在靜載試驗后結構殘余變形較小，該橋在靜荷載卸載后的結構相對殘余應變最大值為10.3%，相對殘余變形最大值為1.9%，符合規范規定的20%，說明橋梁在設計可變作用下結構彈性工作受力狀態良好。

（3）在橋梁靜載試驗過程中，沒有發生明顯異響現象，橫隔板側面斜裂縫在車輛加載工況作用下縫寬減小，說明橫隔板裂縫在橋面車輛作用下不會開展，橫隔板裂縫不是由于橋面行車產生。

（4）在動載試驗作用下，得出當載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時，大于本橋的設計沖擊系數1.05。實測各階次的模態振型與計算值基本一致，實測各階模態對應的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，阻尼比的常規值為1%～5%，即該橋的阻尼比偏低，說明橋梁的減振性能較差。

【參 考 文 獻】

[1]董偉，楊華.波形鋼腹板多箱結合獨塔斜拉橋的受力分布研究[J].公路工程，2017，42（6）：128-131.

DONG W， YANG H. Study on force distribution of multi box combined single pylon cable-stayed bridge with corrugated steel webs[J]. Highway Engineering， 2017， 42（6）：128-131.

[2]黃宛昆，吳慶雄，陳寶春.大跨徑獨塔斜拉橋成橋5年實橋試驗對比分析[J].南昌大學學報（工科版），2018，40（4）：343-348.

HUANG W K， WU Q X， CHEN B C. Field test comparing and analyzing on long-span single -tower cable-stayed bridge after five years operation[J]. Journal of Nanchang University （Engineering & Technology）， 2018， 40（4）： 343-348.

[3]貢金鑫，仲偉秋，趙國潘.受腐蝕鋼筋混凝土偏心受壓構件低周反復性能的試驗研究[J].建筑結構學報，2004，25（5）：92-97.

GONG J X， ZHONG W Q， ZHAO G P. Experimental study on low-cycle behavior of corroded reinforced concrete member under eccentric compression[J]. Journal of Building Structures， 2004， 25（5）：92-97.

[4]劉祥，劉志文.氯鹽環境下鋼筋混凝土橋梁耐久性評估[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（S1）：764-768.

LIU X， LIU Z W. Durability assessment of reinforced concrete bridge in chloride environment[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Science）， 2013， 32（S1）：764-768.

[5]端茂軍，李國芬，李建慧，等.南京小龍灣自錨式懸索橋荷載試驗[J].林業工程學報，2016，30（16）：137-141.

DUAN M J， LI G F， LI J H， et al. Load tests of Nanjing Xiaolongwan self-anchored suspension bridge[J]. Journal of Forestry Engineering， 2016， 30（16）：137-141.

[6]周磊，武電坤，謝勇.伍佐河特大橋成橋荷載試驗研究[J].施工技術，2016，45（S2）：339-342.

ZHOU L， WU D K， XIE R. Completion load experimental research of Wuzuoriver bridge[J]. Construction Technology， 2016， 45（S2）：339-342.

[7]石兆敏，張啟偉，季云峰，等.大跨鋼-混凝土組合梁斜拉橋靜動力特性研究[J].結構工程師，2015，31（6）：158-165.

SHI Z M， ZHANG Q W， JI Y F， et al. Study on static dynamic characteristics of long span steel-concrete composite beam cable-stayed bridge[J]. Structural Engineers， 2015， 31（6）：158-165.

[8]黃宛昆，吳慶雄，陳寶春.單塔單索面斜拉橋荷載試驗研究[J].公路交通科技（應用技術版），2013，9（10）：292-296.

HUANG W K， WU Q X， CHEN B C. Load test of single tower and single cable plane cable-stayed bridge[J]. Highway Transportation Technology （Applied Technology Edition）， 2013， 9（10）：292-296.

[9]羅鴻，徐光政.大跨度斜拉橋荷載試驗研究分析[J].公路交通科技（應用技術版），2016，12（7）：181-182.

LUO H， XU G Z. Load test analysis of long-span cable-stayed bridge[J]. Highway Transportation Technology （Applied Technology Edition）， 2016， 12（7）：181-182.

[10]向勇，姜宏維.千廝門公軌兩用鋼桁架斜拉橋荷載試驗控制計算分析[J].重慶大學學報，2017，40（9）：89-98.

XIANG Y， JIANG H W. Load test control calculation analysis of Qiansimen combined highway and railway steeltruss cable-stayed bridge[J]. Journal of Chongqing University， 2017， 40（9）：89-98.

[11]BAYRAKTAR A， TURKER T， TADLA J， et al. Static and dynamic field load testing of the long span Nissibi cable-stayed bridge[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2017， 94：136-157.

[12]劉永健，楊健，梁鵬，等.無無背索斜塔斜拉橋荷載試驗[J].長安大學學報（自然科學版），2009，29（5）：59-63.

LIU Y J， YANG J， LIANG P， et al. Field load testing of inclined tower cable-stayed bridge without back-stays[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2009， 29（5）：59-63.

[13]李元兵，張啟偉，季云峰.千米級斜拉橋結構靜力行為試驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2011，39（4）：495-500.

LI Y B， ZHANG Q W， JI Y F. Mechanical behavior of kilo-meter-level cables stayed bridge under static loads[J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2011， 39（4）：495-500.

[14]王偉，張玉平，奉龍成，等.多跨矮塔斜拉橋靜力荷載試驗優化研究[J].世界橋梁，2017，45（1）：56-60.

WANG W， ZHANG Y P， FENG L C， et al. Optimum study on static load test of multi-span cable-stayed bridge with low towers[J]. World Bridge， 2017， 45（1）：56-60.

[15]汪俊波.斜拉橋荷載試驗分析[J].工程與建設，2018，32（4）：536-538.

WANG J B. Load test analysis of cable-stayed bridge[J]. Engineering and Construction Engineering， 2018， 32（4）： 536-538.

[16]盧義，張若鋼.多塔單索面波形鋼腹板斜拉橋荷載試驗研究[J].山東交通學院學報，2017，25（2）：40-48.

LU Y， ZHANG R G. Load test of multi-tower single-cable-plane corrugated steel webs cable-stayed bridge[J]. Journal of Shandong Jiaotong University， 2017， 25（2）：40-48.

[17]張士博，柳春光.復雜環境荷載下斜拉橋單塔結構動力響應試驗[J].中國公路學報，2017，30（12）：250-257.

ZHANG S B， LIU C G. Experiment on dynamic response of pile group cable-stayed bridge tower foundation subjected to complex environment loads[J]. China Journal of Highway and Transport， 2017， 30（12）：250-257.

[18]王嶺軍.不同荷載形式下的路基粗粒土填料穩定性分析[J].公路工程，2019，44（1）：251-255.

WANG L J. Stability analysis of subgrade coarse grained soil fillers under different load forms[J]. Highway Engineering， 2019， 44（1）：251-255.

[19]王雅俊.城市公路雙索面斜拉橋荷載試驗研究[D].濟南：山東大學，2018.

WANG Y J. Research on load test of urban highway cable-stayed bridge with double cable planes[D]. Jinan： Shandong University， 2018.