自錨式懸索橋成橋荷載檢測分析

彭及躍

(東莞市交業工程質量檢測有限公司，廣東 東莞 523001)

0 引言

自錨式懸索橋是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構件的橋梁，由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。此類橋梁結構特殊復雜，跨度較大，施工和成橋時受力狀況比較難控制和檢測。本文以東江南支流港灣大橋（沙田大橋）為例，對自錨式懸索橋的成橋荷載試驗檢測技術進行結構分析。

1 自錨式懸索橋荷載試驗檢測分析

1.1 自錨式懸索橋荷載試驗檢測目的

1.1.1 直接了解該橋的實際結構受力狀況，判斷在荷載作用下的實際承載能力，并驗證設計計算結果，結合荷載實測數據評價大橋在設計使用荷載下的結構性能。

1.1.2 獲得該橋在荷載作用下的結構動力特性等橋梁特征參數，并驗證大橋在抗風、抗震荷載作用下的實際工作狀況。

1.1.3 為橋梁在竣工驗收過程中提供重要的橋梁數據，并作為橋梁的基本信息和數據檔案，為橋梁使用階段的安全監測和健康運營提供充足的技術保障。

1.1.4 驗算該類型特殊橋梁的技術規范，并為后續其他同類橋梁技術提供數據參考。

1.2 自錨式懸索橋荷載試驗檢測難點

1.2.1 此類橋梁一般為特大橋，梁體結構尺寸較大，試驗檢測時受環境溫度影響較大。溫差變化容易引起結構變形，影響應力應變的測量結果。

1.2.2 由于橋型結構復雜、跨徑較長、橋面板寬大，加載時容易因為荷載集中引起橋面板局部應力過大和非結構構件過度變形，出現異常情況[1]。

1.2.3 此類橋梁結構內力較大，試驗檢測加載時噸位大、車輛多，跨中產生的豎向位移較大，結構變形過大容易造成損傷、殘余量過大。

1.2.4 為準確反映此類橋梁結構的實際變形和應力狀態，測量點位布置較多，存在一定困難。

1.3 自錨式懸索橋荷載試驗檢測注意事項

1.3.1 橋梁結構受力狀況和成橋荷載試驗檢測方案應經過詳細認真的計算分析，并經過專家反復論證后方可施行。

1.3.2 為避免溫度影響，應選擇溫度較低的時段做試驗，比如夜晚。同時，在荷載試驗過程中隨時注意現場溫度的變化。施工過程中積累的大量溫度影響資料，也可為荷載試驗提供指導。

1.3.3 為避免因荷載集中引起橋面板局部應力過大和非結構構件過度變形，以及因加載噸位大、車輛多使結構變形過大而造成損傷，加載時每個工況應分多級加載，詳細記錄實測數據，認真觀察結構變形，實時判斷結構反應是否正常。

1.3.4 根據檢測方案進行加載車輛的布置，并在各個關鍵截面點位布置測點，使試驗檢測數據能夠準確反映此類橋梁結構的實際變形和應力狀態[2]。

2 工程實例

2.1 工程概況

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）全長2131.6m，主橋為60+130+320+130+65=705m 的五跨雙塔鋼箱梁自錨式懸索橋，為目前國內最大跨徑“先纜后梁”自錨式懸索橋。主梁采用扁平流線型加勁梁，正交異性板橋面，梁高3.5m，全寬38.5m。橋塔是由塔柱、橫梁組成的門式框架結構。設計荷載為公路-Ⅰ級。

2.2 計算分析

采用Midas Civil 有限元軟件建立該懸索橋分析模型。此次荷載試驗選用350kN 重的加載車輛，靜載分5 個工況。為滿足靜力荷載試驗效率的要求，最大用車工況使用22 輛車加載。立面布置、橫斷面布置、計算模型和主要結構內力見圖1～圖6。

圖1 東江南支流港灣大橋立面布置圖

圖2 東江南支流港灣大橋主梁橫斷面布置圖

圖3 有限元分析模型

圖4 可變荷載作用下彎矩包絡圖（偏載）

圖5 可變荷載作用下彎矩包絡圖（中載）

圖6 一階振型圖（頻率H=0.397943）

2.3 試驗檢測措施

2.3.1 在荷載試驗理論分析過程中，選擇橋梁最不利工況進行荷載試驗，并應用精密儀器準確檢測橋梁的實際變形和應力變化。

2.3.2 嚴格監測試驗全程，統一協調指揮和調度，正式加載試驗前，用第一級加載試驗車對橋梁加載跨進行預加載，按結構最不利受力特點進行預壓30min。預加載是為了使橋梁結構能夠提前進入彈性工作狀態，并能夠提前了解各類儀器的使用情況，使整個檢測過程順利進行[3]。

2.3.3 在加載過程中，進行分級加載，對每級加載試驗所得實測數據進行實時分析判斷，用以判斷橋跨結構在各級荷載下的反應是否正常。同時，在方案設計時查看了橋跨結構的局部受力情況，避免結構出現局部荷載集中引起的橋面板局部應力過大和非結構構件過度變形，防止橋梁出現不正常損壞，影響橋梁的承載能力和正常使用。

2.3.4 試驗過程中，安排專人監測主要結構有無異響、晃動、傾覆和扭曲等異常現象。

2.4 試驗結果分析

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）靜載試驗各測試橋跨結構整體效應的主要工況中，撓度校驗系數在0.89～0.97 之間，撓度相對殘余最大值為3.8%，見表1 和圖7；應變校驗系數在0.44～0.91 之間，應變相對殘余最大值為15.6%，見表2 和圖8。靜載試驗工況中，各變形測試項目的實測值與理論值吻合良好，主纜、索塔、鋼主梁等主要結構構件均處于彈性應力工作狀態，主纜、主桁實測應變增量未出現較大峰值，具有良好的安全儲備，結構無異響、晃動、傾覆和扭曲等異常現象。

表1 主梁控制截面豎向位移計算值 單位：mm

表2 主梁控制截面應變計算值 單位：με

圖7 工況3 下主梁撓度實測值與理論值

圖8 工況4 主梁撓度實測值與理論值

圖9 工況1 下主梁應變實測值與理論值圖

圖10 工況4 主梁應變實測值與理論值

橋梁結構的振動特性參數（振動頻率、振型及阻尼比）是大橋動力學性能的決定因素之一，也是結構總體狀態的一種表征，采用有限元分析程序對主橋成橋狀態的自振特性進行分析，得出結構前五階固有振動的振型和頻率。橋梁結構阻尼可采用波形分析法得到，結構阻尼參數宜采用試驗過程中多次所測得結構的平均值，且單次試驗的實測數據與平均值的偏差不應超過±20%。多階自陣信號疊加的波形通常首先分離成單一頻率的自陣信號，再按照下面公式（1）計算阻尼參數[4]。

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）實測的前五階振型與理論前五階振型的振動模型基本一致（見表3），受檢橋跨結構的動力特性和動力響應性能正常，表明該大橋實際主梁豎彎剛度與理論計算值吻合良好。實測鋼主梁及主塔1 階振型見圖11 和圖12。

表3 主橋前5 階成橋狀態的振型及頻率

圖11 實測鋼主梁一階振型圖（頻率=0.41Hz）

圖12 實測主塔一階振型圖（頻率=0.41Hz）

3 結語

本文以東江南支流港灣大橋(沙田大橋）為例，對自錨式懸索橋的成橋荷載試驗檢測技術進行分析。通過靜載試驗與振動特性的檢測，克服特殊橋型試驗檢測過程中的各種困難，根據檢測數據結果分析可知：東江南支流港灣大橋（沙田大橋）的整體受力滿足設計和規范的要求，結構性能能夠滿足橋梁現場實際工作情況，并且具有足夠的安全儲備。橋梁在正常使用過程中具有足夠的安全性能和舒適性，能夠滿足在正常荷載作用下的使用要求，并通過此次檢測，為以后同類橋梁檢測提供技術幫助。