大跨度斜拉橋荷載試驗研究

羅春旺

（東莞市交業工程質量檢測有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

斜拉橋由于自身超強的跨越能力，被橋梁設計師廣泛采用。斜拉橋經過近80 年的發展，無論在設計理論還是施工工藝技術已經相當成熟，現在的研究方向主要是優化斜拉橋設計理論、如何運用新型材料以及橋梁運營后的健康檢測，橋梁健康檢測主要手段是橋梁荷載試驗，橋梁荷載試驗是評定橋梁承載力的重要手段，可為后期的使用、運營安全提供重要保障。因此，文章主要對大跨度斜拉橋的荷載試驗進行研究。

1 荷載試驗主要內容及意義

橋梁荷載試驗包括靜載和動載試驗。靜載指的是將靜止的荷載作用在橋梁的指定位置，檢測橋梁該處的靜應變、靜位移以及撓度變化等指標，通過試驗測定的主要控制點的位移和應變，將試驗檢測數據與理論計算值進行比較。通過這些指標來綜合評定在荷載作用下橋梁的工作狀態、通行能力以及健康狀況。靜載試驗檢測方法雖然容易被工程師所接受和掌握，但為了更好地完成檢測工作，橋梁靜載試驗需要制訂針對性的試驗方案。

橋梁靜載試驗還有以下幾個方向作用：第一，驗證橋梁設計成果的科學性和安全性。第二，對橋梁施工工藝的優化。第三，為創新橋梁的設計理論和施工工藝發展積累資料。第四，為橋梁的運行管理提供依據。

橋梁動載試驗檢測方法是測試橋梁動力特性方法之一，該性能可判斷橋梁運營環境舒適性、結構剛度等[1]。以往動載試驗是單純測試橋梁的頻率，這樣所帶來的問題就是橋梁結構在外界干擾下產生共振現象，容易導致試驗檢測數據不準。在近些年來，試驗模態分析法逐漸發展成型，它集合了振動理論、振動測試技術、系統識別、信號采集與分析等跨學科技術。通過試驗系統的振動頻率、模態振型、阻尼比等參數來綜合判斷橋梁的動力性能。

2 工程實例

2.1 工程概況

某斜拉橋為（57.5+172.5+400+172.5+57.5）m 的雙塔中央索面預應力混凝土半漂浮斜拉橋。索塔采用“天圓地方”形式，主梁為預應力混凝土斜腹板單箱五室的箱梁結構，采用三向預應力體系，主梁全寬41.0m，中心梁高4.0m；承臺、墩身和小懸臂蓋梁（X1#～X6#過渡墩）為普通鋼筋混凝土結構；大懸臂蓋梁（X2#、X5#輔助墩）為預應力混凝土結構；索塔塔柱非錨固區段為普通混凝土結構；索塔塔柱錨固區，牛腿為預應力混凝土結構。橋型布置如圖1 所示，箱梁標準橫斷面如圖2 所示，此研究通過有限元軟件Midas Civil 建立了該橋實體結構有限元模型如圖3 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm)

圖2 箱梁標準橫斷面圖（單位：cm)

圖3 橋梁Midas Civil 有限元模型

2.2 橋梁荷載試驗內容與加載工況設計

2.2.1 橋梁靜載試驗

橋梁靜載試驗：試驗荷載加載至預定的位置，并對結構的靜應變和靜變形進行測定，來評價橋梁結構的靜力性能，判斷結構在靜力荷載下的工作狀態。此次試驗擬對以下參數進行測試：控制截面應力變化；斜拉索索力增量；主梁撓度變化；塔頂變位。為了檢測實際結構受力情況，表1 為靜載試驗檢測內容。

表1 靜載試驗檢測內容

此次試驗，工況一采用32 輛重約30t 的車輛進行加載，工況二采用48 輛重約為30t 的車輛進行加載，工況三采用32 輛重約為30t 車輛進行加載，各工況的截面控制內力值和加載效率如表2 所示，加載車尺寸示意圖如圖4 所示。共設置44 個撓度測點和8 個基準點，具體布置情況如圖5 所示。主塔位移測點布置如圖6 所示。控制面A-A、B-B、C-C 的應變測點布置如圖7 所示，合計共96 個測點。

表2 截面控制內力值和加載效率

圖4 加載車尺寸示意圖

圖5 撓度及變形測點布置圖（單位：cm）

圖6 主塔位移測點布置示意圖

圖7 應變測點布置圖（單位：mm）

2.2.2 橋梁動載試驗

橋梁動載試驗：試驗荷載以不同的速度通過橋梁，在橋梁的特定的位置緊急制動，來測定橋梁的動位移、動應變和豎向、橫向振動。通過測試橋梁的動力參數（振幅、頻率、模態振型、阻尼比），來判斷結構的在動載作用下舒適性、剛度和工作性能。試驗方式：脈動試驗；制動試驗；無障礙行車試驗。全橋布設34 個拾振器（豎向），29 個拾振器（橫向），12 個拾振器（縱向），弓形障礙物設置于中跨跨中橋面上，動應變測點布置于中跨主梁底板底面，如圖8 所示。

圖8 動載試驗測點布置圖（單位：cm）

2.3 荷載試驗結果與分析

2.3.1 靜載結果

筆者從事物理課堂教學已有23年，對于物理課堂教學，一直在思考與探索。經過多年的實踐探索，筆者認為可從四個方面提高學生參與體驗探究物理的樂趣、欲望，從而提高物理課堂教學效益。

試驗工況（工況一）：表3 為試驗跨在工況一滿載時主要測點撓度值和相應理論計算值。圖9 為滿載時試驗跨的主要測點實測彈性撓度值和理論計算值的變化曲線。圖10 為各級荷載作用下，主要測點實測撓度值與理論計算值（加載效率—撓度）關系曲線圖。圖11 為滿載時試驗跨控制截面測點實測彈性應變沿梁高的分布，表4 為滿載時中跨跨中控制截面箱梁底板外側測點的平均應變和理論計算值。

表4 控制截面梁底應變值（單位：με）

圖9 工況一滿載下彈性撓度曲線理論值與實測值

圖10 工況一中跨跨中η-f 關系曲線

圖11 A-A 斷面應變測點分布圖（單位：με）

試驗工況（工況二）：表5 為試驗跨在工況二滿載時塔頂最大縱向位移和理論計算值；圖12 為滿載時試驗跨的主要測點實測彈性撓度值和理論計算值的變化曲線；圖13 為工況二各級荷載作用下，塔頂測點實測值與理論值的（加載效率—位移）關系曲線；圖14為滿載時試驗跨控制截面測點實測彈性應變沿截面的分布；表6 為滿載時控制截面小里程側受拉面測點的平均拉應變和理論計算值。

表5 塔頂縱向位移值（單位：mm）

表6 控制截面受拉面應變值（單位：με）

圖12 工況二滿載下彈性撓度曲線理論值與實測值

圖13 工況二X3#塔塔頂最大位移測點η-f 關系曲線

圖14 主塔控制截面應變測點分布圖（單位：με）

試驗工況（工況三）：表7 為試驗跨工況三滿載時輔助墩0.4L 位置處最大撓度值和理論計算值；圖15為滿載時試驗跨的主要測點實測彈性撓度值和理論計算值的變化曲線；圖16 為工況三各級荷載作用下，控制截面的撓度測點實測值與理論值的（加載效率—撓度）關系曲線；圖17 為滿載時試驗跨控制截面測點實測彈性應變沿截面的分布；表8 為滿載時輔助墩控制截面箱梁頂面測點的平均拉應變和理論計算值。

表7 控制截面撓度值（單位：mm）

表8 控制截面梁頂應變值（單位：με）

圖15 工況三滿載下彈性撓度曲線理論值與實測值

圖16 工況三輔助墩最大撓度測點η-f 關系曲線

圖17 B-B 截面（X2#～X3#輔助墩控制截面）應變測點分布圖（單位：με）

各個工況試驗結果分析：由表3、表5、表7 可知，控制截面彈性撓度在滿載時校驗系數小于1，實測值和理論計算值吻合較好；由圖9、圖12、圖15 可知，實測撓度曲線和理論計算撓度曲線相吻合、變化規律基本一致。由圖10、圖13、圖16 可知，試驗跨撓度實測值小于理論計算值，且變化趨勢一致。由圖11、圖14、圖17 可以看出，應變沿梁高基本呈線性變化。由表4、表6、表8 可知，各控制截面彈性應變值均小于理論計算值，校驗系數均小于1，說明實測值和理論計算值吻合很好。

2.3.2 動載結果

在地脈動、跳車和行車激振工況下，主梁實測橫彎、豎彎，扭轉振動的自振頻率和理論計算頻率如表9所示。主橋實測和理論一階模態如圖18 所示。

表9 實測頻率及阻尼比測試結果表

圖18 主橋一階實測豎彎振型和理論振型

對比自振頻率實測值與理論值可知，實測自振頻率均大于理論值，證明實際剛度大于理論剛度。

3 結論

第一，斜拉橋的荷載試驗是一項復雜嚴謹的試驗研究工作[3-5]。它包括前期的準備、方案設計、試驗檢測、試驗數據的整理、報告的編寫等工作。特別是大跨度斜拉橋荷載試驗：試驗工況較多，檢測煩瑣，需要豐富的專業知識以及現場檢測經驗和能力，更需要團隊的配合才能順利完成。為橋梁結構特性、實際承載能力的評估呈現更直觀、科學的依據。

第二，根據實測數據分析可知，橋梁結構在試驗荷載下處于彈性受力狀態，滿足設計要求；斜拉索結構具有較好的剛度和強度；主橋承載能力滿足設計荷載標準的要求。

第三，大跨徑斜拉橋結構在正常運營荷載作用下具有一定的安全儲備和安全性能，為橋梁使用階段的結構健康監測提供了技術支撐。