公路斜拉橋荷載試驗(yàn)及其力學(xué)效應(yīng)研究

石永燕

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

現(xiàn)代斜拉橋的建設(shè)從1956年瑞典主跨182 m的斯特倫松德斜拉橋到2012年俄羅斯主跨1 104 m的俄羅斯島跨海大橋，已經(jīng)邁入千米級(jí)。我國1975年建成主跨75.84 m的云陽湯溪河橋，2008年建成主跨1 088 m的蘇通長江大橋，2019年建成主跨為1 092 m的滬通公鐵兩用長江大橋，緊跟世界的步伐。隨著設(shè)計(jì)理論、施工工藝、材料技術(shù)的發(fā)展，斜拉橋的建設(shè)規(guī)模不斷刷新。斜拉橋在施工過程中結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)化，荷載不斷疊加，內(nèi)力不斷調(diào)整，成橋后的斜拉橋是塔、索、梁相互作用和影響的高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜。

因此通過荷載試驗(yàn)測試其實(shí)際的靜動(dòng)力性能在檢驗(yàn)工程質(zhì)量、驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論、判定承載能力方面有著十分重要的作用。筆者分析總結(jié)了包括楊浦大橋(主跨602 m)、廈漳跨海大橋北汊橋(主跨780 m)、鄂東長江大橋(主跨926 m)、蘇通長江公路大橋(主跨1 088 m)等在內(nèi)的百余座斜拉橋(不包括矮塔斜拉橋)的荷載試驗(yàn)研究和測試成果，對斜拉橋在試驗(yàn)荷載作用下的靜動(dòng)力力學(xué)效應(yīng)與斜拉橋跨徑之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 斜拉橋靜載試驗(yàn)工況

公路斜拉橋靜載試驗(yàn)通常按照橋梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)確定其試驗(yàn)控制荷載，采用質(zhì)量已知的荷載(現(xiàn)場試驗(yàn)常采用載重汽車)在橋梁上等效加載，使得關(guān)鍵受力部位的試驗(yàn)荷載效應(yīng)與控制荷載效應(yīng)之比在0.85～1.05之間，現(xiàn)場測試橋梁的靜力學(xué)效應(yīng)。

公路斜拉橋荷載試驗(yàn)要求針對主梁中孔最大正彎矩及撓度工況、主梁墩頂最大負(fù)彎矩工況、主塔塔頂縱橋向最大水平位移與塔腳截面最大彎矩工況、主梁最大縱向漂移工況和中孔跨中附近拉索最大拉力工況進(jìn)行現(xiàn)場測試[1]。實(shí)際的荷載試驗(yàn)中，通常還選取中孔的1/4跨截面測試主梁的彎矩和撓度，個(gè)別橋梁還選取了主梁邊跨最大正彎矩截面、最大負(fù)彎矩截面(輔助墩墩頂)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 斜拉橋靜載試驗(yàn)控制截面選取

對于雙塔和多塔斜拉橋而言，主梁中孔最大正彎矩工況的控制截面位置并不是中孔跨中，一般位于中孔跨中附近。表1列出了部分雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)活載最大正彎矩控制截面相對于中孔跨中的距離，控制截面到跨中的距離與中孔跨徑之比小于0.08。表2列出了部分獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)活載最大正彎矩控制截面的相對位置，控制截面到橋塔的距離與主孔跨徑之比一般在0.5～0.8之間。

表1 雙塔及多塔斜拉橋中孔最大正彎矩控制截面位置

表2 獨(dú)塔斜拉橋主孔最大正彎矩控制截面位置

主梁中孔最大撓度工況控制截面對于雙塔斜拉橋而言一般為中孔跨中截面。該截面的最大正彎矩與中孔最大正彎矩工況控制截面的控制彎矩?cái)?shù)值上極為接近，故絕大多數(shù)斜拉橋在荷載試驗(yàn)時(shí)為便于試驗(yàn)車輛組織通常將兩個(gè)截面合二為一，如蘇通大橋、鄂東長江公路大橋、安慶長江公路大橋、奉節(jié)長江大橋等在荷載試驗(yàn)時(shí)均選取中孔跨中截面作為最大正彎矩控制截面和最大撓度控制截面。

主梁墩頂最大負(fù)彎矩工況的控制截面為塔梁中心線相交處斷面。對于鋼箱梁和鋼桁梁而言，一般均具備試驗(yàn)操作空間，故可選擇主墩墩頂?shù)闹髁航孛孀鳛榭刂平孛妗Ｆ渌孛嫘问降闹髁含F(xiàn)場試驗(yàn)操作條件往往受限，試驗(yàn)控制截面一般選取靠近主墩的中跨側(cè)主梁截面。少數(shù)斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)選取了輔助墩處的主梁截面作為最大負(fù)彎矩工況控制截面[7]。

主塔塔頂縱橋向最大水平位移工況的試驗(yàn)控制截面常選取塔頂便于現(xiàn)場觀測的截面。由于其影響線與塔腳截面的彎矩影響線在分布形態(tài)上基本一致，故荷載試驗(yàn)時(shí)通常將主塔塔頂縱橋向最大水平位移工況和塔腳截面最大彎矩工況合并進(jìn)行試驗(yàn)。

塔腳截面最大彎矩工況的試驗(yàn)控制截面應(yīng)結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果綜合考慮，可選取為實(shí)心截面與空心截面交界處距實(shí)心截面0.5 m～1 m處的空心截面。實(shí)際的荷載試驗(yàn)中受現(xiàn)場條件限制，常選取塔梁交界處的塔身截面進(jìn)行測試[8]，該截面的彎矩影響線與塔腳截面的彎矩影響線在形態(tài)上基本一致，可達(dá)到一定的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

主梁最大縱向漂移工況的試驗(yàn)控制截面應(yīng)選取為伸縮縫處的兩個(gè)梁端截面，試驗(yàn)時(shí)取兩者均值作為主梁的縱向漂移結(jié)果，考慮到溫度影響，不宜只選取某一端截面。

中孔跨中附近拉索最大拉力工況應(yīng)選取活載增量最大的拉索進(jìn)行測試。根據(jù)實(shí)橋測試經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)傳感器布置時(shí)可選取拉索防護(hù)套筒末端1.5 m～2 m以上位置即可測得有效振動(dòng)信號(hào)。

3 最大用車量

斜拉橋荷載試驗(yàn)中影響單工況最大用車量的因素較多，設(shè)計(jì)因素有中孔或主孔跨徑、設(shè)計(jì)荷載等級(jí)、行車道數(shù)量、人行道寬度等，試驗(yàn)因素有加載車單車重量、加載車縱向間距、加載車橫向車列數(shù)、試驗(yàn)工況合并情況等。用車量隨影響因素的變化情況如表3所示。

表3 試驗(yàn)最大用車量影響因素

試驗(yàn)加載車的單車重量增加，有利于減少用車量，但是過大的單車重量，可能導(dǎo)致橋面局部損傷。因此絕大多數(shù)的斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)選擇三軸車作為試驗(yàn)加載車，單車重量控制在300 kN～350 kN之間。也有極少數(shù)橋梁的試驗(yàn)加載車單車重量大于350 kN。

加載車的縱向間距變大雖然會(huì)導(dǎo)致用車量增加，不利于車量組織和縮短試驗(yàn)時(shí)間，但通過保持相鄰兩排車輛之間足夠的縱向間距，可以避免因車輛集中停放導(dǎo)致橋梁局部區(qū)段的損傷。實(shí)際的斜拉橋荷載試驗(yàn)中，某一工況的相鄰兩排車的縱向間隔距離通常控制為不小于15 m。

斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)的加載車橫向車列數(shù)應(yīng)適宜，最多不應(yīng)超過設(shè)計(jì)車道數(shù)量。過多的橫向車列數(shù)可能因車輛集中而導(dǎo)致橋面板的局部應(yīng)力過大。為保證試驗(yàn)的荷載效率，宜采用增加縱橋向車輛數(shù)量方式，不宜采用增加橫向車列數(shù)的方式。

試驗(yàn)工況合并指的是試驗(yàn)時(shí)某一次加載使得多個(gè)控制截面的荷載效率同時(shí)滿足要求。由于各試驗(yàn)控制截面影響線的正負(fù)區(qū)段不完全重合，故工況合并必然導(dǎo)致用車量增加。用車量的增加雖然加大車輛組織難度，但可極大地縮短荷載試驗(yàn)總時(shí)間，因此斜拉橋試驗(yàn)中通常需對試驗(yàn)工況的車輛加載進(jìn)行優(yōu)化組合。值得注意的是，試驗(yàn)工況的組合可能導(dǎo)致其他截面荷載效率超過限值，也有可能導(dǎo)致控制截面的荷載效率在加載過程中超過限值，這一點(diǎn)在制定試驗(yàn)加載方案時(shí)應(yīng)予以重視。

筆者對雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)用車量最大的單個(gè)試驗(yàn)工況的加載車總噸位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)時(shí)按設(shè)計(jì)車道數(shù)折算為單車道。最大用車量工況的單車道總噸位如圖1所示。由圖1可見，雙塔和多塔斜拉橋最大用車量工況的加載車單車道總噸位大致隨主孔跨徑增加而增加，線性擬合式為G=0.55L+24，其上下限估算式為G=(0.55L+24)±120。

4 靜載試驗(yàn)效應(yīng)分析

4.1 主梁最大撓度

主梁最大撓度是表征斜拉橋受力體系整體剛度的重要指標(biāo)，對于大橋的安全性能判定起著十分重要的作用。表4列出了部分特大跨徑雙塔和多塔斜拉橋在試驗(yàn)荷載下的主梁實(shí)測最大撓度及相應(yīng)工況下的理論計(jì)算值。表5列出了部分大跨徑獨(dú)塔斜拉橋在試驗(yàn)荷載下的主梁實(shí)測最大撓度及相應(yīng)工況下的理論計(jì)算值。可見，大跨徑斜拉橋的實(shí)測主梁最大撓度與理論值較為接近，跨徑越大通常越明顯，撓度校驗(yàn)系數(shù)通常均接近1.0，表明荷載試驗(yàn)理論計(jì)算模型與橋梁的實(shí)際剛度較為吻合。同等跨徑下的主梁最大撓度差異主要和橋梁橋跨布置、加勁梁類型、試驗(yàn)工況的車輛布置方式有關(guān)。這里需要指出的是，對于同一座大橋同一個(gè)控制工況，不同檢測機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)加載方案通常荷載效率取值不一致，再者其加載車輛布置間距和數(shù)量也不一致，故其理論計(jì)算撓度值不可能完全一致，同時(shí)實(shí)測值更不可能相同，但總的而言其相差范圍不大，例如蘇通長江公路大橋的主梁最大撓度工況，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司實(shí)測撓度值約為150 cm，同濟(jì)大學(xué)李元兵等人實(shí)測撓度值約為138 cm，兩者相差8%。

表4 雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下的主梁實(shí)測撓度及相應(yīng)理論值

表5 獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下的主梁實(shí)測撓度及相應(yīng)理論值

圖2為雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下主梁中孔最大撓度與中孔跨徑的關(guān)系圖，中孔跨徑為150 m～1 100 m的雙塔和多塔斜拉橋中孔最大撓度fmax可近似用中孔跨徑L表示為fmax=0.001 1L2+0.088L+2。圖3為獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下主梁主孔最大撓度與主孔跨徑的關(guān)系圖，主孔跨徑為100 m～400 m獨(dú)塔斜拉橋主孔最大撓度fmax可近似用主孔跨徑L表示為fmax=0.006 1L2-1.1L+96。個(gè)別橋梁如寧波外灘大橋、瀘州泰安長江大橋?qū)崪y最大撓度與趨勢線差異稍大。試驗(yàn)荷載下斜拉橋主梁最大撓度隨跨徑近似二次曲線遞增。

4.2 主塔最大縱向偏位

主塔最大縱向偏位是表征斜拉橋受力體系整體剛度的重要指標(biāo)之一。表6列出了部分特大跨徑雙塔和多塔斜拉橋在試驗(yàn)荷載下的主塔實(shí)測最大偏位及相應(yīng)工況下的理論計(jì)算值。表7列出了部分大跨徑獨(dú)塔斜拉橋在試驗(yàn)荷載下的主塔實(shí)測最大偏位及相應(yīng)工況下的理論計(jì)算值。可見，大跨徑斜拉橋的實(shí)測主塔最大偏位與理論值較為接近，校驗(yàn)系數(shù)通常在0.8以上，接近1.0，表明荷載試驗(yàn)橋梁理論計(jì)算模型與實(shí)際剛度較為吻合。同等跨徑下的主塔最大偏位差異主要和橋梁橋跨布置、加勁梁類型、試驗(yàn)工況的車輛布置方式有關(guān)。

表6 特大跨徑雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下的主塔實(shí)測偏位及其相應(yīng)理論值

表7 大跨徑獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)下的主塔實(shí)測偏位及其相應(yīng)理論值

圖4為雙塔和多塔斜拉橋主塔最大縱向偏位與中孔跨徑的關(guān)系圖，中孔跨徑為150 m～1 100 m的雙塔和多塔斜拉橋主塔縱向偏位hmax可近似用中孔跨徑L表示為hmax=0.000 13L2+0.06L+12。圖5為獨(dú)塔斜拉橋主塔最大縱向偏位與主孔跨徑的關(guān)系圖，主孔跨徑為100 m～400 m的獨(dú)塔斜拉橋主塔縱向偏位hmax可近似用主孔跨徑L表示為hmax=0.001 5L2-0.32L+37。試驗(yàn)荷載下斜拉橋主塔最大縱向偏位隨跨徑近似二次曲線遞增。

4.3 主梁最大縱向漂移

主梁最大縱向漂移試驗(yàn)測試多采用測試兩端伸縮縫位移的方法。《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》實(shí)施以前，在公路斜拉橋荷載試驗(yàn)中往往未針對最大縱向漂移工況進(jìn)行有針對性地加載和測試，通常在主梁最大撓度、主梁最大正彎矩和主塔最大偏位等工況中附帶進(jìn)行測試。

圖6給出了雙塔斜拉橋部分控制截面的典型影響線。由圖6可見，跨中截面的水平位移(縱飄)影響線與其他控制截面的影響線曲線在形態(tài)和分布上明顯不同，影響線峰值位置不同，同號(hào)重合區(qū)域較短，因此前述附帶測試實(shí)際上未測試到主梁最大的縱向漂移量。

圖7是部分雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)主梁水平位移的實(shí)測結(jié)果。由圖7可見，實(shí)測水平位移值離散性較大，部分特大跨徑斜拉橋的實(shí)測主梁水平位移明顯偏小。主要原因是荷載試驗(yàn)中未就主梁最大縱向漂移工況進(jìn)行針對性加載和測試，其次是主梁的支座對主梁縱向位移有一定的約束作用[9]，個(gè)別斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)甚至水平位移有較大的殘余變形，不能恢復(fù)到加載前狀態(tài)[10]。

5 動(dòng)力荷載試驗(yàn)效應(yīng)分析-結(jié)構(gòu)基頻

圖9是部分獨(dú)塔斜拉橋的基頻實(shí)測結(jié)果。由圖9可見，主孔跨徑50 m以上的獨(dú)塔斜拉橋的基頻f與主孔跨徑L有一定的相關(guān)性，基頻f可近似用主孔跨徑L的指數(shù)形式表示，即f=696L-1.38，基頻f隨跨徑L指數(shù)遞減[11]。

6 結(jié)論

1)雙塔和多塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)，活載最大正彎矩控制截面到跨中的距離與中孔跨徑之比小于0.08。獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)時(shí)活載最大正彎矩控制截面到橋塔的距離與主孔跨徑之比一般在0.5～0.8之間。

2)雙塔和多塔斜拉橋在荷載試驗(yàn)時(shí)為便于試驗(yàn)組織可選取中孔跨中截面代表最大正彎矩控制截面和最大撓度控制截面進(jìn)行試驗(yàn)。

3)雙塔和多塔斜拉橋最大用車量工況的加載車單車道總噸位總體上隨主孔跨徑增加而增加，估算范圍為G=(0.55L+24)±120。

4)中孔跨徑為150 m～1 100 m的雙塔和多塔斜拉橋試驗(yàn)荷載下的中孔最大撓度fmax可近似用中孔跨徑L表示為fmax=0.001 1L2+0.088L+2。主孔跨徑為100 m～400 m的獨(dú)塔斜拉橋試驗(yàn)荷載下的主孔最大撓度fmax可近似用主孔跨徑L表示為fmax=0.006 1L2-1.1L+96。試驗(yàn)荷載下斜拉橋主梁最大撓度隨跨徑近似二次曲線遞增。

5)中孔跨徑為150 m～1 100 m的雙塔和多塔斜拉橋試驗(yàn)荷載下的主塔最大縱向偏位hmax可近似用中孔跨徑L表示為hmax=0.000 13L2+0.06L+12。主孔孔跨徑為100 m～400 m的獨(dú)塔斜拉橋試驗(yàn)荷載下的主塔最大縱向偏位hmax可近似用主孔跨徑L表示為hmax=0.001 5L2-0.32L+37。試驗(yàn)荷載下斜拉橋主塔最大縱向偏位隨跨徑近似二次曲線遞增。

6)斜拉橋的荷載試驗(yàn)中應(yīng)針對主梁最大縱向漂移進(jìn)行針對性加載測試。

7)中孔跨徑175 m以上的雙塔和多塔斜拉橋的基頻f與中孔跨徑L的相關(guān)性較強(qiáng)，基頻f可近似用中孔跨徑L的指數(shù)形式表示，f=46.4L-0.81。主孔跨徑50 m以上的獨(dú)塔斜拉橋的基頻f可近似用主孔跨徑L的指數(shù)形式表示，f=696L-1.38。斜拉橋的結(jié)構(gòu)基頻f隨跨徑L指數(shù)遞減。