斜拉橋荷載試驗研究

尹 波

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110003)

1 斜拉橋荷載試驗的目的

斜拉橋結構在力學上屬于高次超靜定結構，是所有橋型中受力較為復雜的一種橋梁結構形式。但由于斜拉橋索力的偏差和施工方法的不同，橋梁結構的最終成橋受力狀態可能會有所差異，因此在斜拉橋建成時或運營過程中進行荷載試驗檢測是非常必要的，其主要目的為：

(1)對斜拉橋進行靜載試驗，測試主要橋孔的梁及索塔截面的應力、變位，評估校驗系數，確定實際承載能力。

(2)對斜拉橋進行動載試驗，測試主要橋孔的固有頻率、振型、沖擊系數及阻尼比，分析評估橋梁的動力響應狀態。

(3)根據檢測結果，提出橋梁的管養建議。

2 工程實例

某橋梁結構為140m+110m(第1、2孔)的梭型獨塔斜拉橋，橋塔是由三個曲線形塔柱交錯而成的梭形結構，截面形式為鋼箱結構，橋面以下塔柱為鋼筋混凝土結構，主梁在索塔中心線兩側32m范圍內為預應力混凝土箱梁，其余為鋼箱梁。該橋全寬32.3m(含箱梁兩側風嘴)。140m跨的錨索區位于箱梁中心線兩側3m范圍內，共13對拉索；110m跨錨索區位于箱梁兩側2m范圍內，共13對拉索。中塔柱與主梁固結，在邊塔柱處，主梁下設盆式支座支撐于邊塔柱間的立柱上。

2.1 模型建立

本試驗采用了空間有限元軟件Midas Civil對橋梁的主體結構進行建模、分析，其中索塔及鋼箱梁采用梁單元進行模擬，全橋共劃分成350個梁單元，351個節點，斜拉索采用桿單元模擬，有限元離散模型見圖1。

圖1 斜拉橋有限元模型圖

2.2 靜載試驗

2.2.1靜載試驗工況設置

利用有限元模型計算結果，及根據現行規范《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)，確定此次斜拉橋的靜載試驗工況為：

(1)斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處的最大正彎矩試驗工況。

(2)斜拉橋2孔距塔柱根部中心線60m斷面處的最大正彎矩試驗工況。

(3)塔梁固結段距塔柱根部9m斷面處最大負彎矩試驗工況。

(4)斜拉橋塔頂部最大位移、變位試驗工況。

(5)斜拉橋下塔柱的塔腳斷面處(塔柱與橋面交接處斷面)最大彎矩試驗工況。

(6)1孔第7號斜拉索的最大拉力試驗工況。

(7)2孔第6號斜拉索的最大拉力試驗工況。

2.2.2測點布置

(1)梁體應變測點布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處、1孔距塔柱根部中心線9m截面，共3個主梁截面布置正應變測點，正彎矩截面每個截面布置7個測點，負彎矩截面布置4個測點，共計18個正應力(應變)測點，見圖2。

圖2 梁體應變測點布置圖

(2)主梁位移測點布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處，共2個梁體截面布置撓度測點，每個截面布置3個測點，共計6個撓度測點。

(3)主塔測點布置：在塔柱與橋面交接處的塔柱截面左、右側各布置1個應力(應變)測點，全橋共設置2個應變測點；在塔柱頂部設置1個位移測點，全橋共設置1個位移測點。

(4)拉索索力測點布置：選擇1孔第7號拉索和2孔第6號拉索進行索力變化檢測，共4個索力測點。

2.2.3加載方式及荷載試驗效率

采用雙后軸的載重汽車作為該斜拉橋的靜載試驗荷載加載配重，所有工況最多需要12輛加載車，具體參數及軸重如圖3所示。

圖3 加載車軸距及軸重圖(單位：m)

加載車數量據設計標準活荷載產生的在斜拉橋上(截面)最不利內力或變位值確定，按式(1)所確定的原則等效換算而得，不同截面其荷載效率將隨加載位置不同而改變，試驗規程要求ηq介于0.95～1.05之間，該斜拉橋的內力值及設計加載工況的荷載效率詳見表1。

(1)

式中：ηq—荷載效率值；

Ss—荷載作用下加載控制截面應變或變位的最大計算效應值；

S′—檢算荷載在加載控制截面應變或變位的最不利效應值；

μ—按規范計算取用的沖擊系數值。

依據該橋的設計文件，設計荷載等級為城-A級，按4車道布置，橋梁結構的荷載橫向折減系數值為0.67，偏載系數值為1.15，結構沖擊系數值μ=0.05。經過有限元模型計算，各荷載試驗工況的試驗效率均滿足試驗規范要求。

表1 靜載試驗荷載效率表

2.2.4主梁測試結果

主梁各工況下的應變、位移測點實測值與理論值的比較，得到以下結果：

(1)橋梁結構主梁的位移校驗系數介于0.47～0.57之間，應變校驗系數介于0.48～0.71之間，均小于1.00，說明主梁結構具有足夠的整體剛度、強度，符合設計要求。

(2)各加載工況卸載后相對殘余變位、應變均小于20%，說明橋梁結構整體處于彈性工作狀態。

2.2.5斜拉索測試結果

各工況作用下斜拉橋索力實測值與理論值的比較見表2、表3，索力增量結構校驗系數分別為0.95、0.92，拉索實測索力值與計算值吻合較好，說明橋梁體系受力合理，滿足設計要求。

表2 1孔第7號索力增量實測值與計算值的比較

表3 2孔第6號索力增量實測值與計算值的比較

2.2.6主塔測試結果

(1)主塔偏位：主塔塔頂縱向偏位實測值與理論計算值見表4。通過對實測值與理論計算值的比較，該橋主塔校驗系數為0.36，結構實測受力變形與理論計算值總體吻合良好，主塔縱橋向變形一致性較好，表明該橋主塔具有足夠的剛度，滿足設計要求。

表4 塔頂縱向位移實測值與計算值的比較

(2)主塔應變：主塔下塔柱根部截面在試驗荷載作用下的應力實測值與理論計算值的比較見表5，塔柱截面的應力校驗系數為0.14、0.21，表明主塔在各試驗工況作用下均處于彈性受力狀態，主塔具有足夠強度儲備，主塔受力合理。

表5 塔腳截面最大彎矩工況下應力實測值與理論值的比較

2.3 動載試驗

動載試驗的主要目的在于研究橋梁結構的自振特性及在車輛荷載作用下的動力反應，其測試結果是判斷橋梁結構運營狀況和承載特性的重要指標。本次動載試驗主要進行脈動試驗、跑車試驗，測試的動力特性參數包括頻率、振型、阻尼比、沖擊系數。

2.3.1脈動試驗

脈動試驗采用自然環境下的正常激勵，利用設置在橋面不同位置的拾振傳感器提取結構在周邊環境和大地脈動下產生的振動信號，根據采集到的橋梁時域振動數據進行試驗模態分析，進而得到斜拉橋結構的動力相應參數。

脈動試驗測點布置：在1孔、2孔的跨徑十六分點截面處，橋面兩側均設置豎直振動試驗的測點，全橋66點，參考點選1孔橋面的跨中斷面附近。

圖4 橋梁一階扭轉、一階豎彎振型圖

表6 主梁實測固有頻率與理論計算頻率的比較

從表6中的檢測結果可以得到該橋實測固有頻率fmi與理論計算頻率fdi比值為1.11，大于1.00。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2條確定該橋自振頻率的評定標度為1，說明斜拉橋結構的豎向剛度較好。

2.3.2跑車試驗

由一輛加載重汽車分別以20km/h的速度在橋面上行駛，橋梁產生具有附加質量(車輛全重)的衰減自振，沖擊荷載按中心位置加載，在車輛離橋后橋梁結構作無附加質量的衰減自振，利用時域分析的豎向振動波形(如圖5)，按式(2)計算的沖擊系數(1+μ)見表7。

(2)

圖5 跑車試驗—第1孔豎向振動波形(20km/h)

式中：fdmax、fdmin分別為實測最大和最小動撓度。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)計算得出該橋第1孔沖擊系數如表7所示。第1孔實測沖擊系數為1.03，在規范取值范圍內。

表7 跑車沖擊系數(1+μ)表

3 結語

斜拉橋作為常用的特殊結構橋型，其受力較為復雜，因此在橋梁交工及運營過程中應及時安排橋梁荷載試驗，明確結構的受力狀態，為橋梁的日常養護和維修加固提供依據，保障橋梁運營安全。