大跨度雙塔扇形索面斜拉橋荷載試驗研究

2024-01-01 00:00:00劉遠凱

西部交通科技 2024年6期

摘要：對于新建大跨度橋梁，在投入使用前應進行技術狀況檢測，以保證橋梁的安全運營，并且為工程驗收提供可靠的數據支撐，為此，文章采用Midas Civil軟件建立某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋主橋模型，進行靜載、動載試驗研究，評價該橋的結構安全性，為橋梁竣工驗收及運營的安全性提供技術依據，為同類橋梁技術檢測提供參考。

關鍵詞：大跨度斜拉橋；雙塔扇形索面；荷載試驗；索力測試；校驗系數

中圖分類號：U441+.2

0 引言

隨著我國橋梁建設的發展，跨越江河、峽谷的長大橋梁應用廣泛，斜拉橋具有跨越能力大、造型美觀等特點，是跨越寬闊水域和深溝峽谷的主要橋型之一［1］。但是，新建長大橋梁在投入使用前應進行技術狀況檢測，以保證其安全運營，并且為工程驗收提供可靠的數據支撐。荷載試驗是常用的橋梁檢測方法［2］，通過試驗用加載車進行靜力、動力試驗，對橋梁的結構剛度、強度等性能進行評價，為橋梁后期的安全運營與維護保養提供可靠依據［3-6］。趙文國等［7］通過荷載試驗，對某跨線橋的實際承載力狀態做出評定。龍佩恒等［8］通過靜載、動載試驗，結合有限元優化加載工況，得到了大跨度中承式鋼管混凝土拱橋的運營工作性能評價結果。可見，通過荷載試驗是掌握橋梁結構性能的重要方法。由于大跨度雙塔扇形索面斜拉橋的研究較少，其安全運營需要結構的剛度、強度、動力性能滿足要求。本文針對某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋進行靜載、動載試驗研究，評價該橋的結構安全性。

1 橋梁概況

北海市西村港跨海大橋分為西引橋、跨航道主橋、東引橋。其中西引橋總長720 m，主橋455.8 m，東引橋600 m，橋梁總長1 775.8 m。主橋為雙塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑布置為［38.9 m+70 m+238 m（主跨）+70 m+38.9 m］=455.8 m，橋面寬度37 m。主塔采用C50混凝土橋塔，主梁為鋼混疊合梁，采用Q345q鋼材。斜拉索為雙索面，采用扇形索面布置，主跨20對索，邊跨10對索，全橋共80根拉索，采用1860鋼絞線。橋面板采用C55混凝土，橋墩立柱和蓋梁采用C45混凝土，承臺、系梁、橋臺臺帽、臺身樁基采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。

主橋功能橫斷面布置為2.0 m（人行道）+3.5 m（非機動車道）+0.5 m（機非分隔帶）+11.5 m（機動車道）+2 m（中央分隔帶）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（機非分隔帶）+3.5 m（非機動車道）+2.0 m（人行道）=37 m。道路等級為城市主干路；設計行車速度60 km/h；荷載標準為城-A級，人群荷載按《城市橋梁設計規范》（CJ J11-2011）取值。主橋立面布置以及橫斷面如圖1、圖2。

2 模型的建立

根據橋梁的結構形式，采用Midas Civil軟件建立主橋模型。斜拉索采用桁架單元模擬，橋面板采用板單元模擬，樁基、橋墩、主梁、橋塔均采用梁單元模擬?；炷恋目箟簭椥阅Ａ堪匆幏稑藴嗜≈担葜?5.0 kN/m。鋼材的彈性模量為2.06×105 MPa，容重78.5 kN/m2。主橋斜拉索Strand1860彈性模量E=1.95×105 MPa，容重78.5 kN/m3。全橋共節點1 645個，梁單元2 042個，桁架單元80個，板單元80個。樁基底部固結約束，樁基與承臺、承臺與橋墩采用剛性連接，主梁與橋墩支座采用彈性連接并交替釋放縱向和橫向剛度，主梁兩端采用簡支約束。整體有限元模型如圖3所示。

3 試驗方案

3.1 測試截面及測點布置

通過對橋梁結構的恒載和活載內力計算，確定橋梁結構的內力包絡圖，見圖4，并參考《城市橋梁檢測與評定技術規范》（CJ J/T233-2015）選定控制截面，主要截面測試項目為各級荷載下的控制測點應變、各級荷載下的控制測點撓度、各級荷載下的塔頂縱向位移、裂縫發展狀況，測試截面測點布置見圖5。

3.2 荷載工況

試驗采用多輛三軸載重汽車加載。根據測試截面的主要受力特點和理論計算，對不同工況下的加載位置進行設計，得到加載工況及加載效率如表1所示?？梢钥闯觯捎?2輛加載車通過優化布置，可以使得各工況的加載效率達到0.85～0.94，滿足驗收工程的加載效率0.85～1.05的要求。本次試驗共分為7個加載工況，分別為各小跨中最大正彎矩及橋墩、塔身最大負彎矩。

4 試驗結果分析

4.1 靜載試驗

通過多輛試驗用車的優化布置，對測試截面的最不利結構內力進行試驗，使加載達到設計荷載產生的最不利內力效應值。本次加載分為三級，每級加載四輛加載車。由于溫度對測試的影響比較復雜，在加載試驗前，對測點進行≥15 min的溫度穩定觀測，選擇溫度變化相對較小的時間段進行試驗，并建立溫度變化和測點測值變化的線性關系進行修正。通過數據采集，可以得到各加載工況下，測試截面的應變和撓度等數據，判斷結構是否滿足規范要求。限于篇幅，本文僅列出工況1的加載測試結果。

工況1第三級加載下，各測點的應變理論及實測值對比，如圖6所示。可以看出，12個測點的應變理論值均大于實測值，但偏差不大，整體校驗系數在0.68～0.83之間，相對殘余應變在0～19%之間，4號測點與10號測點由于位于主梁的上部，因此應變為負值表示受壓。卸載后存在部分殘余變形，最大值（5 με）位于6號、9號、12號測點。

工況1撓度測試結果如圖7所示，其中測點2為橋面中心，測點1、3布置在外側人行步道邊緣?？梢钥闯?，橋面中心的撓度較兩側大。理論計算值大于實測值，表明結構的實際剛度要大于理論設計剛度。2號測點的殘余撓度幾乎為零（0.06 mm），1號、3號測點的殘余撓度分別為0.57 mm、0.41 mm。各測點的校驗系數在0.69～0.85，相對殘余位移在1%～18%，滿足規范要求。此外，各靜載試驗工況加載至滿載的過程中，橋梁未發現明顯異常響聲或異常變形情況，控制截面附近未發現明顯可見裂縫。

4.2 動載試驗

動載試驗主要通過測試橋梁結構的動力性能，分為模態振型以及沖擊性能。模態振型采用脈動試驗，沖擊性能采用跑車試驗。脈動試驗主要通過風荷載及地脈動等隨機激勵引起的結構微小振動，通過采集結構的振動時域信號，通過傅里葉分析得到結構的模態數據。本次脈動試驗，根據陣型特點，在邊跨橋面四等分處、主跨橋面八等分處布置測點。用DH5907N無線橋梁模態采集器測得這些測點處的振動速度時域信號，再用模態專用分析設備進一步求得橋梁的自振頻率。為保證頻率分辨率和提高信噪比，本次試驗采集的長樣本信號時間≥30 min。

頻譜分析結果及結構的實測與理論模態對比結果如圖8所示?？梢钥闯?，實測的結構5階頻率與結構的理論振型頻率偏差不大，各階頻率偏差在1.45%～17.01%，最大值在第四階模態（17.01%），各階振型形式實測與理論對應。實測阻尼比在0.025～0.069，1階振型阻尼比為0.065，第2階振型阻尼比最小，僅為0.025。各階振型實測值均大于理論值但比較接近，表明結構實際剛度較理論剛度偏大，結構整體剛度性能良好。

跑車試驗主要測試不同行車速度下梁體的豎向受迫振動響應，采集動撓度信號或動應變信號，進而得出橋梁的沖擊系數。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015），當flt;1.5 Hz時，理論沖擊系數μ=0.05。本次跑車試驗中，測點布設在主跨跨中截面處，在兩側鋼箱梁底靠內側處各布設一個無線表面式應變計測點。采用一輛350 kN重的車輛進行跑車，跑車速度取40 km/h、50 km/h、60 km/h，采用DH1205W無線表面式應變計（控制器）采集測點的動態應變時程曲線，進而分析橋梁的沖擊系數。每個車速工況進行2～3次重復試驗，沖擊系數取對應車速下的最大值。跑車試驗跨中截面動態應變時程曲線，如圖9所示?？梢钥闯觯瑯蛄航Y構實測沖擊系數的最大值為0.04，小于理論計算值0.05，說明橋梁在正常工作狀態下的動力性能良好。

4.3 索力測試

斜拉索是斜拉橋的主要傳力構件，索力的損傷將嚴重影響斜拉橋的工作性能，因此對斜拉橋的索力測試是必不可少的。該橋斜拉索的編號為“20-L-BC10”，20—墩塔號，L—左幅，B—邊跨，Z—中跨，C—拉索。斜拉索布置圖如圖10所示，圖中僅示出西岸一側的拉索，東岸一側拉索對稱布置，全橋共80根拉索。

索力測試采用隨機環境激勵的測試方法、采集索在環境激勵下的振動信號。采用自譜分析方法，獲取前5～10階自振頻率。按隨機信號處理的規定，合理選取分析數據長度、分析帶寬、譜線數、重疊率、窗函數及譜平均次數等分析參數，以減少分析誤差，并具有≤0.01 Hz的頻率分辨率，其中索力計算按式（1）計算：

式中：T——斜拉索索力；

fn——索的第n階自振頻率；

L——索的計算長度；

n——自振頻率階數；

EI——索的抗彎剛度；

ρ——索的線密度。

本次抽取部分典型拉索進行成橋恒載索力測試，根據斜拉索的規格、參數及現場測試的各階自振頻率，通過索力計算軟件計算可得出各拉索的索力。索力測試結果如圖11所示，可以看出，所測索力與設計值比較接近，偏差率最大值僅為-4.8%，在±5.0%以內，滿足規范《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）的要求，斜拉索的工作性能良好。

5 結語

對于新建長大橋梁，在投入使用前應進行技術狀況檢測，以保證橋梁的安全運營，并且為工程驗收提供可靠的數據支撐。本文針對某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋進行荷載試驗研究，得出以下結論：

（1）靜載試驗中，各測點的校驗系數在0.69～0.85，相對殘余位移在1%～18%，滿足規范要求，且未發現有異常響聲或異常變形，控制截面附近未發現明顯可見裂縫。

（2）實測的結構5階頻率與結構的理論振型頻率偏差不大，各階頻率偏差在1.45%～17.01%。這表明結構的實際剛度較理論剛度偏大，結構整體剛度性能良好。

（3）所測索力與設計值比較接近，偏差率的最大值僅為-4.8%，在±5.0%以內，滿足規范要求，斜拉索的工作性能良好。

參考文獻

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