獨(dú)塔混合梁斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

許航，朱傳超

（1.中鐵城建集團(tuán)北京工程有限公司，北京 100020；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710065）

1 引言

斜拉橋造型美觀、跨越能力強(qiáng)，是現(xiàn)代橋梁建設(shè)中特別受青睞的類型。 作為高次超靜定結(jié)構(gòu)的斜拉橋，受力情況十分復(fù)雜，其最終成橋狀態(tài)會(huì)因索力的偏差、施工工序以及施工方法的不同而出現(xiàn)差異性變化[1]。為保證投入使用的新建橋梁能夠安全運(yùn)營(yíng)，受力狀態(tài)良好，在斜拉橋建成后，對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)是非常重要的[2-3]。

2 工程概況

中華路徒駭河大橋主橋?yàn)榉菍?duì)稱獨(dú)塔鋼-混組合梁斜拉橋，半漂浮體系，全長(zhǎng)244.4 m，跨徑布置為151.1 m+91.9 m，主塔為鋼結(jié)構(gòu)，主跨為鋼-UHPC 薄層輕型組合梁，邊跨以混凝土箱梁作為配重，以此提高邊跨剛度，橋?qū)?6 m，雙向8 車道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，徒駭河大橋立面圖如圖1 所示。

圖1 徒駭河大橋立面布置圖（單位：cm）

3 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)， 以此來采集橋梁的結(jié)構(gòu)性能以及物理力學(xué)參數(shù)， 并據(jù)此進(jìn)行承載能力狀況評(píng)定； 通過荷載試驗(yàn)，可建立橋梁初始狀況檔案，為今后的橋梁檢測(cè)及加固提供初始對(duì)比材料[4]。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）靜載試驗(yàn)：測(cè)定試驗(yàn)荷載（與橋梁最不利設(shè)計(jì)荷載相當(dāng)）作用下各控制截面測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)力變形等[5]。

2）動(dòng)載試驗(yàn)：測(cè)定移動(dòng)車輛荷載作用下的橋梁振動(dòng)、沖擊等動(dòng)力效應(yīng)[6]。

4 荷載試驗(yàn)

4.1 靜載試驗(yàn)

4.1.1 靜載試驗(yàn)工況

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JTG/T J21-01—2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[7]以及空間有限元模型理論計(jì)算，確定靜載試驗(yàn)的加載工況如下：

1）主跨L/3 處最大正彎矩工況（中載，偏載）；

2）輔助墩墩頂最大負(fù)彎矩工況（中載）；

3）主邊跨最大正彎矩工況（中載，偏載）；

4）主塔墩頂最大負(fù)彎矩工況（中載）。

4.1.2 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果確定測(cè)試截面如圖1 所示， 其中S1為主跨L/3 處截面，S2 為主塔墩頂截面，S3 為主邊跨跨中截面，S4 為輔助墩墩頂截面。

1）主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)：鋼箱梁截面S1，共布設(shè)18 個(gè)測(cè)點(diǎn)；混凝土箱梁截面S2～S4，各布設(shè)17 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2）主梁撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)：撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)截面S1、S3，每個(gè)截面兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3）主塔偏位測(cè)點(diǎn)布設(shè)：在兩高矮塔的塔頂各布設(shè)兩個(gè)棱鏡，以此進(jìn)行塔頂偏位監(jiān)測(cè)。

4）拉索索力測(cè)點(diǎn)布設(shè)：選擇主跨第10～12 對(duì)拉索進(jìn)行索力增量監(jiān)測(cè)。

4.1.3 加載方式

實(shí)際加載車輛的選擇參考JTG/T J21-01—2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中建議的靜力試驗(yàn)荷載效率，并考慮主要控制截面的變形值和設(shè)計(jì)彎矩值。 本次荷載試驗(yàn)使用加載車工13 輛，每輛總重為40 t，軸重分配為8 t、16 t、16 t。 加載車輛使用前均逐一承重、編號(hào)，單車總重誤差超過±1 t。 本次荷載試驗(yàn)所用車型如圖2 所示。

圖2 加載車型圖（單位：cm）

4.1.4 測(cè)試結(jié)果

1） 主梁控制截面應(yīng)變平均校驗(yàn)系數(shù)區(qū)間為0.74～0.81，且實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，主梁控制斷面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2） 主梁控制截面豎向撓度平均校驗(yàn)系數(shù)區(qū)間為0.80～0.95，且實(shí)測(cè)值均小于或接近計(jì)算值，主梁各測(cè)試斷面豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3）實(shí)測(cè)的塔頂縱向偏位校驗(yàn)系數(shù)為0.83、0.76，且小于計(jì)算值，橋塔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4）實(shí)測(cè)的拉索索力增量平均校驗(yàn)系數(shù)為0.88、0.91，且小于計(jì)算值，拉索工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5）實(shí)測(cè)的相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%，滿足規(guī)范限值要求，主梁在試驗(yàn)過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

本次動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)， 測(cè)試內(nèi)容為振型、自振頻率、沖擊系數(shù)、阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)。

4.2.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

采用脈動(dòng)法進(jìn)行自振測(cè)試，無須加載車跑車，采用無線模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)采集模塊布置在橋面測(cè)點(diǎn)， 在電腦中進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并利用特定程序?qū)崿F(xiàn)即時(shí)顯示并進(jìn)行信號(hào)回放處理，在頻域和時(shí)域中進(jìn)行譜分析和時(shí)程分析。

測(cè)試人員清理橋面異物后，通過卷尺、粉筆等工具進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位置標(biāo)記，將無線模態(tài)分析系統(tǒng)采集模塊分批布置在橋面參考點(diǎn)和各測(cè)點(diǎn)，無須跑車而只通過環(huán)境激振，多次調(diào)試設(shè)備確認(rèn)無誤后進(jìn)行正式試驗(yàn)。 試驗(yàn)分批次對(duì)不同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得到頻譜分析圖，數(shù)據(jù)處理后得到豎向前3 階自振頻率，并與理論計(jì)算做對(duì)比，得到校驗(yàn)系數(shù)及阻尼比，詳細(xì)結(jié)果如表1 所示。

表1 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表

4.2.2 跑車試驗(yàn)

不同數(shù)量、速度的車輛在橋面上跑車時(shí)，將在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)變，用相應(yīng)的測(cè)試儀器采集控制斷面的動(dòng)應(yīng)變，以此可計(jì)算出橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。 動(dòng)力荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用可由活載沖擊系數(shù)綜合反映。

主橋進(jìn)行動(dòng)載跑車試驗(yàn)測(cè)試動(dòng)應(yīng)變時(shí)， 根據(jù)加載車輛數(shù)及車速確定8 個(gè)工況，具體如表2 所示。

表2 主橋動(dòng)載試驗(yàn)工況表

在鋼箱梁L/3 截面（L為橋跨長(zhǎng)）處進(jìn)行動(dòng)應(yīng)變采集，各個(gè)工況下最大動(dòng)應(yīng)變區(qū)間為70.81～86.31 με，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)區(qū)間為0.07～0.28。 沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 各工況沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[8]第4.3.2條規(guī)定：當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻小于1.5 Hz 時(shí)，規(guī)范沖擊系數(shù)取0.05。 徒駭河大橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)均值為0.18， 略大于理論計(jì)算值的0.05，但遠(yuǎn)低于1.3，故本橋行車條件良好。

4.2.3 測(cè)試結(jié)果

1）中華路徒駭河大橋主橋各階振型的實(shí)測(cè)頻率均大于相應(yīng)的理論計(jì)算值，故本橋的整體剛度較大，剛度指標(biāo)良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）主橋?qū)崪y(cè)阻尼處于環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)試驗(yàn)的正常區(qū)間，結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)衰減正常，橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況良好。

3）主橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)均略大于按照規(guī)范計(jì)算的理論沖擊系數(shù)，但跑車時(shí)所測(cè)的動(dòng)力放大系數(shù)均在規(guī)范推薦范圍之內(nèi)，并無較大的沖擊現(xiàn)象發(fā)生，故行車條件良好。

5 結(jié)論

本次荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，中華路徒駭河大橋目前總體受力特征與理論計(jì)算基本相符，所測(cè)控制截面變形、應(yīng)變實(shí)測(cè)值小于或接近理論計(jì)算值，滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力各項(xiàng)指標(biāo)良好。

綜上所述，中華路徒駭河大橋主橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，其整體剛度及承載能力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于城-A 級(jí)荷載等級(jí)的要求。