雙塔三跨地錨式懸索橋荷載試驗要點分析

洪海濤

（大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

0 引言

城市橋梁的荷載試驗一般情況下分為動荷載試驗和靜荷載試驗兩種，其技術操作難度高、涉及的專業面寬。橋梁動荷載和靜荷載試驗的目的是對新建未正式通車的橋梁或已經服役多年的橋梁進行專業的橋梁承載能力狀況評定[1]。通過一系列荷載試驗將測得的原始數據進行整理計算分析，得出橋梁的整體和部分結構受力性能能否滿足設計要求和相關規范。橋梁的荷載試驗是分析和評定整座橋梁受力荷載等級最直觀和最高效的方式。本文將結合實際案例橋梁對懸索橋荷載試驗技術要點進行分析。

1 案例橋梁概況

1.1 基本情況

橋梁全長約13km（上下層總和），車行道面積203067m2，人行道面積22440m2。橋梁的主橋為雙塔三跨重力式地錨懸索橋，橋梁的跨徑為180m+460m+180m，主跨為鋼桁架結構，主橋的左右兩端分別設置造型對稱的混凝土重力式錨碇，主橋橋塔采用的是鋼筋混凝土結構，橋面車行道為上下雙層布置，上層寬21m，下層寬17m。主橋的左右兩側均由兩聯雙層三跨連續梁結構的大跨徑鋼筋混凝土引橋組成。東連接線包括：A、B 匝道橋現澆部分，及A、B 匝道的地面道路、隧道部分，上橋人行通道等幾個部分。

1.2 橋梁技術標準

車輛荷載：公路-Ⅰ級，東引橋主線為雙向六車道，其余主線為雙向八車道，匝道兩車道；人群荷載：3.0kN/m2，每側人行道寬度2m；風動壓力：A 類，年平均風速：43m/s：地震烈度：7度；設計基準溫度：20℃，纜索、鋼梁的施工均以此為參考溫度；主線設計車速：80km/h；匝道設計車速：30km/h；主橋為雙塔三跨地錨式懸索橋，跨度布置為80m+460m+180m=820m。

2 橋梁荷載試驗方案選擇

橋梁的靜荷載試驗是在橋面無車的情況下，利用加載車按照提前布置的工況點進行加載，通過梁底粘貼的應變計、位移計、振動傳感器和遠處的全站儀對其受壓數據進行采集，然后對采集的數據進行整理、計算、分析，獲得控制截面應變、局部裂縫、橋主體結構位移等結果，得出此橋的承載能力。

橋梁的動荷載試驗是在加載車按照提前布置的工況點通過跑車、跳車等方式將車載在運動中的壓力傳遞到橋面，通過梁底粘貼的應變計、位移計對其受壓數據進行采集，通過整理、計算、分析其動態頻率、振動波型、阻尼[2]，得出動力的反饋程度和模態參數，繼而得出此橋的承載能力。

目前，橋梁承載能力評定應用最多的是靜載試驗法，動載試驗法通常會和靜載試驗法相結合形成互補。結合此橋的結構特點，選取主橋及典型引橋進行靜動載試驗。靜動載試驗包括靜載試驗和動載試驗，根據相關規范要求設置應變、位移、振動等傳感器。

3 靜荷載試驗內容及加載方式

3.1 橋梁靜荷載試驗原則

3.1.1 檢測結構受力體系的關鍵

本試驗要測出橋梁承載能力指標。橋梁承載力的指標是指在橋梁主體結構最不利的受力情況下，每一個主要因素對其影響的綜合反映值。在橋梁結構承載力的關鍵部位對其進行施壓，在最不利的受力情況下才能測試出結構的受力特點及限值，所以確定好主要的測試部位是檢測結構受力體系的關鍵。

3.1.2 橋梁整體結構承載力指標內容

橋梁結構承載力指標是指在環境、結構、荷載等因素綜合作用下，橋梁結構承受的規定車輛荷載能力的物理力學指標。這些力學指標主要包括橋梁動力學特性、動力響應、整體結構穩定性、結構及材料的剛度和強度。

不同的橋梁結構體系，如斜拉橋、懸索橋、拱橋、連續梁橋等，他們的橋梁承載能力檢測的標準和指標也各不相同。所以，先應分析橋梁的形式，再確定荷載試驗的具體方案，從而使荷載試驗測試出的結果合理準確且能明確地反映出橋梁結構承載能力指標。

3.1.3 實際檢測布點位置及車重要求

無論是橋梁的靜荷載試驗還是動荷載試驗，都要在荷載試驗前對橋梁整體的受力結構充分了解，在保證橋梁結構不受到損壞的前提下進行加載試驗。加載車的車重也不能超過可使橋梁結構破損的限度值。

3.2 試驗主要內容

（1）在橋梁主體結構上產生的撓度極限值和扭轉變位；

（2）橋梁主體結構的控制截面極限應變，含鋼筋混凝土梁體表面和最外側邊緣主筋的應力[3]；（3）橋梁各結構連接部分包括可活動支座的變位；（4）受加載車施加荷載導致橋梁支點的沉降和橋梁墩臺的轉角與位移；

（5）橋梁鋼桁架整體結構支點處桿件和其他部位細長桿件的穩定性；

（6）橋梁的梁底或其他部分出現的裂縫是否出現擴展，包括出現的初始裂縫，其長度、寬度、位置、間距、形狀和方向，同時還包括加載車駛離橋面卸載后的閉合情況。

3.3 試驗對量測的要求

（1）試驗時間盡量選擇晝夜溫差較小的陰天或者夜間，保持在一個溫度平穩的時間段進行荷載試驗；

（2）應避免降水、大風天氣，可通過官方部門發布的氣象信息獲得相關資料，需要在荷載試驗前，無荷載作用下，記錄24h 以上的溫度變化，記錄的時間間隔要與未來進行的荷載試驗程序相同，這樣可以對后期荷載試驗測出的數據進行修正；

（3）在荷載試驗的過程中，現場檢測人員可以采用連續觀測讀取數據、平均分段計算每個荷載階段讀取的數據增量方法[4]；

（4）在荷載試驗前需在橋梁各主要構件周邊布置一定數量的溫度測量儀，每次讀取其他測點數據的同時，還需要讀取結構對應的溫度儀，通過結構溫度的位移和溫度應力場的計算，可以把采集數據中的溫度影響因素分離出來；

（5）荷載試驗所需的測量儀器要保證其精度誤差低于5%；

（6）荷載試驗需要測量選取的基準點如水準觀測站、標尺等要保證牢固可靠，和測量儀器一起要進行防曬、防雨、防風、防其它振動的保護。

3.4 靜荷載試驗加載方法

靜荷載試驗采用加載車進行加載，在正式加載采集數據前，應提前進行預加載，其荷載值應為正式加載最大應力的1/3～1/2。具體加載時間為20min，每次持續時長為10min，卸載后需持續觀測殘余變形，間隔為30min。試驗荷載擬采用三軸載重車作為加載物，前后軸距3.20m，后軸軸距1.35m。試驗加載車橫向布置如圖1所示。

圖1 加載車橫向布置示意圖

4 動荷載試驗內容及加載方式

動荷載試驗是測試加載車輛在橋面移動過程中對橋體各結構施加荷載后各部位發生的反應。這是加載車與橋梁兩個系統相互作用的結果，與橋梁表面的平整度和加載車試驗時的車速有關。

動荷載測試內容包括橋梁自振頻率檢測、加載車跑車試驗、加載車橋面跳車試驗，這些試驗能反映出橋梁結構的動態特性及整體作用的綜合參數。

4.1 加載車跑車試驗

試驗時以1 輛標準車中后軸停于橋梁需要測試的斷面上，同時測試靜荷載撓度值。跑車試驗時加載車以時速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h 勻速通過對應的橋跨結構，在加載車行駛的過程中，會對橋面產生一定的沖擊作用，從而使橋梁結構發生振動。通過動力測試系統測定測試截面處的動撓度時間歷程曲線，從而得出在行車條件下的振幅響應、動態增量及相應動力系數。

4.2 跳車試驗

在橋梁測試截面處橋面設置高度為10～15cm 的墊木或跳車板，斜邊朝向汽車。跳車荷載試驗時，讓1 輛加載車分別以10～20km/h 的速度勻速通過橋跨結構，在沖過跳車板時對橋梁結構產生沖擊作用，這樣可以使橋梁擁有較大的豎向振動。同時需測定此時橋梁在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動載反應。

4.3 橋梁自振頻率檢測

在橋面無任何車輛荷載以及橋梁附近無規則振動源頭的環境下，通過高靈敏度動力測試系統測試橋梁所處風荷載、地表脈動、周圍水流沖刷等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，從而測得橋梁結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力學特征。

5 重難點問題及解決方案

5.1 主橋、引橋變形測量困難及解決方案

5.1.1 問題分析

主橋進行荷載試驗時，需要在主跨跨中、主跨L/4、邊跨跨中、主塔塔頂測量位移。由于主橋跨度較大，離岸距離較遠，加之在晚間進行荷載試驗，因此，測量有一定難度。橫梁及主梁位移均較小，理論最小撓度僅有1.56mm，若用全站儀難以保證精度，必須選用精度更高的儀器設備保證測量結果的準確性。

5.1.2 解決方案

測量時采用兩臺全站儀同時測量，相互進行矯正，全站儀位于錨碇外側大跨徑引橋位置，減小荷載試驗過程中主橋橋面變形對測量結果的影響。主橋變形測量設備放置點如圖2所示。

圖2 主橋變形測量設備放置點

測量時，在塔頂放置棱鏡進行測量，橋面位移測點均設置棱鏡，同時用光照照射，方便測量過程中定位查找目標。對于引橋撓度測量，采用全站儀測量將難以保證精度，且橋面測量受視線遮擋嚴重，通透性較差，因此，在此采用位移計加支架的方式進行。

5.2 作業環境復雜問題及解決方案

5.2.1 問題分析

大橋地處海洋環境，檢測時不同于陸上環境，同時存在海上檢測與高空檢測的困難。同時由于跨海大橋的橋梁結構形式復雜，單一的檢測平臺難以有效開展檢測工作，給檢測工作的開展帶來較大難度。因此，在檢測時需根據橋梁結構特點和所處的環境條件不同，選擇不同的輔助平臺。

5.2.2 解決方案

根據該項目中橋梁結構特點和所處環境不同，選擇合適的檢測方式。對于橋梁不同的結構特點、跨越障礙物類型、交通量等實際檢測環境選擇科學、合理、高效的檢測方式，比如：橋梁檢測車、搭架子、長梯、人字梯等多種方式，從而避免檢測資源浪費，保證檢測工作效率及質量。

6 結束語

本文介紹了某雙塔三跨地錨式懸索橋通車后在規定年限需要做的一次靜荷載和動荷載的橋梁檢測。檢測中，對橋梁靜荷載和動荷載試驗方案進行了優化，包括試驗的具體內容及實施過程中的控制要點，對重點、難點問題提出了解決方案。實踐證明，只有正確把控試驗技術要點，才能保證荷載試驗質量，提升荷載試驗效率。該項目的經驗可作為類似橋梁靜載、動載試驗的參考。