雙塔斜拉大橋橋梁載荷試驗與分析

姜龍飛，武林林

(1.云南建設基礎設施投資股份有限公司 昆明市 650217； 2.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司 成都市 610000)

0 引言

針對橋梁結構設計特點確定試驗斷面、開展現場靜載試驗，在特定位置施加靜荷載，觀測其位移、應變、裂縫等參數，依據相關技術標準所規定的指標，判斷荷載作用下橋梁結構的使用性能，是直接而又準確的判斷手段[1-2]。通過試驗可掌握橋跨結構的靜力特性，判斷其能否繼續安全正常運營，為橋梁養護檔案管理工作的電子化、數據化和橋梁信息管理系統提供可靠的基礎資料[3-4]。

1 工程概況

JN大橋工程為市政道路，設計等級為城市主干路，采用雙向6車道，設計時速為60km/h。工程分為三個部分，西引道、JN大橋主橋、南引橋，道路總長約2050m，屬特大型橋梁，主橋采用雙塔斜拉橋型，橋梁標準寬度為31.5m，參見圖1。

圖1 JN大橋主橋示意及縱斷面測點布置圖(單位：mm)

橋梁主橋長為599.6m，橋跨組合為75m+75m+300m+75m+75m；采用對稱布置雙塔、雙面密索斜拉，主梁為倒梯形斷面預應力混凝土梁，塔梁采用漂浮分離體系結構。橋梁的約束體系兼顧其靜力受力和動力分析情況，臺墩設置豎向拉應力支座。針對橋梁位置特點，兼顧了適用、耐久和美觀。

2 試驗目的

(1)在試驗靜荷載作用條件下，量測橋梁結構撓度和控制斷面應力應變實測值。

(2)建立橋梁計算模型，獲取靜力狀況下試驗斷面的應力應變計算值，比較分析其與實測值符合性。

(3)量測橋梁結構總體自振特性，獲取自振頻率并評價。

(4)在動荷載作用條件下，量測橋梁動力響應特性并評定其動力性能。

(5)為交工驗收提供重要的技術數據，并作為大橋的初始信息檔案。

3 試驗內容

試驗測試斷面應布設于靜力荷載作用下最不利斷面，獲得橋梁各斷面的應力應變和擾度。試驗針對該橋結構特點，依照規范，確定相應的測試內容和工況見表1。

表1 主橋主要測試內容

4 主橋靜載試驗

4.1 斷面測點布置

4.1.1主梁撓度及變位測試斷面及測點布設(圖2)

(1)主梁撓度測點布置設在中跨L/2、L/4、3L/4以及邊跨、次邊跨L/2附近斷面。

(2)主梁最大縱向位移測點設置在Z0#墩處梁端。

(3)塔頂最不利荷載作用變位測點布置在Z2#塔頂處。

此外，在中跨L/2斷面最大撓度工況測試時，增加該工況下的全橋撓度曲線測量。

圖2 主橋撓度與變位斷面測點布置圖(單位：cm)

4.1.2應變及索力增量測試斷面及測點布設

(1)箱梁應變測點布設在中跨L/2、中跨L/4、中跨3L/4、次邊跨L/2、邊跨L/2附近斷面、主梁Z1#墩頂斷面。

(2)橋塔最不利荷載作用下應變測點斷面布置在Z2#塔上塔柱與中塔柱分肢處。

(3)斜拉索力增量選取Z2#塔0#索和N24#索位置。

4.2 工況選取

根據招標文件要求并結合以往類似橋梁的加載方案經驗，主橋各主要試驗工況見表2所示，主要工況的載位見圖2所示。

4.3 加載效率與載位確定

4.3.1計算參數選取

設計荷載汽車荷載城—A級；人群荷載2.4kN/m2；計算車道為雙向6車道；橫向折減系數為6×0.55(6車道折減)=3.3；縱向折減系數為0.97；主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土；斜拉索采用Φs14.2高強低松弛鍍鋅鋼絞線，標準強度1860MPa。

4.3.2計算模型

本次試驗加載方案的確定，采用Midas Civil結構分析軟件計算，其中主梁、主塔離散為梁單元，斜拉索離散為桁架單元。

4.3.3試驗荷載確定

(1)試驗用加載車總重為300kN，后軸重110kN，前軸重80kN。

(2)試驗等效荷載采用總重為300kN的三軸載重汽車加載方式，模擬設計活載形成橋梁內力。

(3)對于各斷面測試項目，所需加載車的數量，應視設計標準活荷載等效換算而確定。

(4)參照《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/TJ21-01—2015)的第4.4.2條規定，橋梁靜載試驗效率ηq按下式計算獲得，其值宜為0.85～1.05之間。

表2 主橋靜力荷載試驗加載工況

式中：Ss為靜載試驗斷面內力或位移的最大設計效應值；S為靜載控制斷面內力或位移的最不理效應計算值；μ為沖擊系數值，應依照規范規定取值。

4.3.4試驗載位布置與荷載效率

參考相關技術標準并結合既往經驗，采用有限元法建模，計算本橋試驗載位和荷載試驗加載效率，得知本橋的加載效率為0.85～1.05之間。

4.4 測試方法

(1)撓度：主橋主梁撓度測量在測試斷面處布置測點，采用電子水準儀及3m銦鋼條形碼水準標尺按二等水準施測。主橋撓度曲線測量沿中跨縱橋向八等分點、邊跨二等分布置測點。

(2)應變：混凝土結構靜態應變，采用阻值為120Ω的應變片，標距按3×100mm黏貼，數據采集分析儀量測數據。

(3)主梁梁端縱向位移:采用在墩頂伸縮縫位置處設置標記，在試驗過程中采用測距設備直接測讀標記位移。

(4)橋塔縱橫偏位:本次測量采用高精度機器人型全站儀對主橋塔頂和塔身三維坐標測量。

(5)索力增量:采用基于頻率法的索力動測儀測試。

4.5 試驗結果

4.5.1主橋撓度測試結果

在各工況滿載作用情形下，主橋控制斷面撓度的實測校驗系數介于0.69～0.90之間，撓度實測值均小于計算值，說明主橋鋼箱梁控制斷面豎向剛度滿足設計要求；各斷面卸載后相對殘余變形為4.0%～9.2%，說明試驗過程中主橋控制斷面為良好的彈性工作狀態。結果參見表3。

表3 各工況滿載作用下主橋撓度測試結果(節選)

典型工況6-1(中跨L/2最大撓度)試驗荷載(對稱布載)作用下，主橋左、右兩側撓度變化曲線如圖3所示。由圖可知，主要試驗工況加載撓度曲線基本平順，實測變形規律基本符合結構受力特征。

圖3 工況6-1作用下主橋左右側測線撓曲變形圖

4.5.2控制斷面應變測試結果(節選)

(1)工況1-1(邊跨最大正彎矩對稱加載)：滿載作用下主橋邊跨最大正彎矩斷面各測點應變實測校驗系數為0.60～0.89，實測值均小于計算值。表明該控制斷面強度滿足設計要求；卸載后，測試斷面測點的最大相對殘余應變為14.71%，表明試驗過程中該斷面處于彈性工作狀態。

(2)工況2-1(次邊跨最大正彎矩對稱加載)：滿載作用下，主橋次邊跨跨中斷面各測點應變實測校驗系數為0.61～0.90，實測值均小于計算值，說明斷面強度滿足設計要求；卸載后最大相對殘余應變為14.0%，表明試驗過程中斷面處于彈性工作狀態。

(3)工況3-1(主梁內支點最大負彎矩對稱加載)：滿載作用下，主橋Z1#墩處梁體內支點斷面各測點實測應變校驗系數為0.62～0.87，實測值均小于計算值，說明該斷面強度滿足設計要求；卸載后最大相對殘余應變為13.33%，表明試驗過程斷面處于彈性工作狀態。

4.5.3主橋塔頂縱向最大水平位移

滿載作用下，3#橋塔實測最大偏位值為42.1mm，校驗系數為0.63～0.79，實測值小于計算值，表明橋塔的縱向剛度滿足設計要求。

4.5.4主橋梁端縱向漂移測試結果

滿載作用下，主橋梁端縱向偏移值為12.5mm、13.1mm，校驗系數為0.42～0.44，實測值均小于計算值，說明鋼箱梁縱向工作性能滿足設計要求。

4.5.5索力增量測試結果

滿載作用下，實測斜拉索索力增量校驗系數為0.71～0.79，實測值小于計算值，表明斜拉索工作性能滿足設計要求。

5 結論

(1)全橋主塔、斜拉索、主梁、支座及伸縮縫表觀狀況總體良好，未發現顯見性結構性缺損。

(2)實測主橋靜載試驗應變及撓度測試項目荷載效率為0.85～1.05，滿足規范要求，試驗荷載效應可反映設計規范基本可變荷載效應的特征。

(3)主梁控制斷面豎向撓度校驗系數為0.67～0.90，實測值均小于計算值，表明主梁各測試斷面豎向剛度能夠滿足設計要求；實測的相對殘余變形均小于20%，滿足規范限值要求，表明主橋主梁在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態。

(4)塔頂縱向偏位校驗系數為0.63～0.79，實測值小于計算值，表明主橋橋塔剛度滿足設計要求。

(5)實測的斜拉索索力增量校驗系數為0.71～0.79，實測值小于計算值，表明主橋斜拉索工作性能滿足設計要求。

(6)試驗過程中結構處于正常的工作狀態，未見異常情況；試驗后未發現新增結構性損傷。

試驗結果表明，目前JN大橋主橋結構總體受力特征與理論計算基本一致，各控制斷面變形、應變實測值均小于計算值，滿足《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)的相應要求，橋梁結構靜載試驗各項指標均為良好。