大跨度獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗與結(jié)構(gòu)性能分析

李 森， 石雪飛， 蘇祥亞， 張 昕

(同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海 200092)

1 概述

泰州市某獨(dú)塔混凝土斜拉橋(圖1)為一座獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋，結(jié)構(gòu)采用塔、墩、梁固結(jié)體系。主橋全長345 m，邊跨設(shè)有輔助墩，跨徑布置為(43 +117 +185)m。主梁橫斷面采用單箱五室斜腹板截面，梁高3．9 m，頂板寬35．5 m，底板寬12 m，兩側(cè)懸臂長3．75 m，頂面設(shè)2%雙向橫坡。箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度按索距劃分為7 m，每3．5 m 設(shè)一道橫梁。索塔為獨(dú)柱式變截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱采用單箱單室箱形截面，下塔柱采用單箱雙室箱形截面。斜拉索采用直徑15．2 mm 高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絞線，抗拉強(qiáng)度≥1 860 MPa，全橋共48 對96 根索。

主橋橫向布置為0．5 +14．5(機(jī))+5．5(中央分隔帶)+14．5(機(jī))+0．5 m。該橋設(shè)計行車速度為80 km/h，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，雙向6 車道。

通車前對該橋進(jìn)行了成橋靜、動載試驗，以檢驗施工質(zhì)量、掌握橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評價橋梁的營運(yùn)質(zhì)量［1］。

2 恒載下索力測試

斜拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一。恒載作用下斜拉橋拉索的索力狀態(tài)，決定了斜拉橋主梁和索塔的恒載內(nèi)力狀態(tài)。因此，斜拉橋竣工以后斜拉索的實際索力狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)的符合程度是衡量結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)是否符合設(shè)計要求和施工水平的一個重要指標(biāo)，且一定程度上反映了橋梁的建設(shè)水平。

2．1 測試方法

根據(jù)在一定條件下斜拉索索力與其振動頻率存在對應(yīng)的關(guān)系，試驗中采用振動頻率法測試斜拉索索力。利用VS-99 型加速度計，VA-99 型測振放大器及AZ-108 型動態(tài)信號采集系統(tǒng)測試斜拉索的橫向振動頻率，從而用索力計算公式求出索力大小。

根據(jù)弦振動理論推出的工程中常用的斜拉索索力計算公式［1］為

式中，fn為斜拉索第n 階振動頻率;n 為振動階數(shù);L 為斜拉索的計算長度;m 為斜拉索單位長度質(zhì)量。

2．2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果僅以主跨側(cè)C8 ～C15 為例，見表1(斜拉索編號見圖1)。測試結(jié)果表明，在恒載作用下全橋斜拉索的實測索力與設(shè)計索力的相對差值均在5%以內(nèi)，安全系數(shù)在2．66 ～3．29 之間，均大于2．5［2］。說明恒載下索力與設(shè)計索力符合較好，全橋處于一個很好的內(nèi)力狀態(tài)下。

圖1 某斜拉橋總體布置圖(單位:cm)

表1 部分恒載下斜拉索索力實測與設(shè)計對比

3 靜載試驗

3．1 加載方案

試驗加載方式的確定主要根據(jù)設(shè)計荷載在主梁上產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)值計算而得。針對獨(dú)塔單索面斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力特點，選取關(guān)鍵截面，見圖1。

靜載試驗在各個工況下的加載車輛數(shù)及具體的加載位置是利用各控制截面的活載影響線計算確定。試驗效率控制在0．85 ～1．05 之間［3］。經(jīng)等效計算后，確定試驗共需采用300 kN 重車24 輛，前軸重60 kN，中軸及后軸重各120 kN。試驗加載工況和具體內(nèi)容見表2。

表2 靜載試驗工況

3．2 試驗測試方法及測點布置

靜載試驗工況下主要測試各控制截面應(yīng)力、全橋撓度、斜拉索索力增量和索塔塔頂變位。

(1)應(yīng)力觀測。主橋縱橋向和索塔測試截面見圖1。為測得各控制截面的應(yīng)力，在主梁底板、腹板和頂板處以及索塔縱橋向表面粘貼電阻式應(yīng)變片，利用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測點布置見圖2。

(2)撓度觀測。靜載試驗過程中，撓度測點布置在箱梁頂面兩側(cè)，每側(cè)布設(shè)12 個點，以及索塔塔頂截面2 個點，共計26 個測點，見圖1。利用兩臺全站儀在主橋上下游距主橋100 m 左右處分別進(jìn)行觀測。全站儀的測距標(biāo)準(zhǔn)差為1 mm+2 ×10-6、測角標(biāo)準(zhǔn)差±2″。

圖2 應(yīng)變片測點布置圖

(3)斜拉索測試。由于現(xiàn)場工作條件的限制，僅選取C19＇ ～C20＇(下游)和C13 ～C15(下游)共5 根斜拉索測試試驗工況下的索力增量。

3．3 試驗結(jié)果分析

(1)主梁撓度分析。在試驗工況作用下，主梁撓度可以直觀地反映出結(jié)構(gòu)受力情況，測試結(jié)果見表3。在各工況作用下，結(jié)構(gòu)的撓度校驗系數(shù)介于0．59 ～0．98 之間，均小于1．0，基本在合理范圍之內(nèi)，說明在試驗荷載下結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，也說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論計算剛度。在試驗荷載下，主梁幾何變形曲線平滑連續(xù)，且與計算值吻合較好，說明主梁具有良好的整體剛度，受力狀況合理，符合設(shè)計要求。圖3 是工況1 作用下主梁撓度。

圖3 工況1 作用下主梁撓度

表3 主梁撓度實測與計算對比

(2)索塔塔頂變位分析。在試驗工況作用下，索塔塔頂變位實測與計算對比見表4。在各工況下，索塔塔頂變位的校驗系數(shù)在0．50 ～0．97 之間，索塔塔頂變位實測與計算吻合較好，說明主塔具有較好的整體剛度。

表4 索塔塔頂變位實測與計算對比

(3)主梁和索塔應(yīng)力分析。表5 是工況4 作用下實測應(yīng)力與計算應(yīng)力的對比。工況4 作用下，主梁應(yīng)力的校驗系數(shù)在0．69 ～0．85 之間，索塔應(yīng)力的校驗系數(shù)在0．32 ～1．00 之間，實測應(yīng)力結(jié)果偏小。其余工況作用下，應(yīng)力實測結(jié)果與理論計算的變化規(guī)律基本一致，但實測應(yīng)力數(shù)據(jù)較之理論計算數(shù)據(jù)偏小，其校驗系數(shù)在0．28 ～1．03 之間，大部分小于1，說明結(jié)構(gòu)實際剛度較理論計算剛度大。其中部分應(yīng)力測點因設(shè)備精度問題實測值偏小，但這類誤差并不會影響整體試驗數(shù)據(jù)的有效性。

(4)斜拉索索力增量分析。在試驗工況作用下，實測索力增量校驗系數(shù)介于0．53 ～1．18 之間，通常在荷載產(chǎn)生索力增量較小的情況下，索力值測試的誤差相對較大，但本橋測的測索力與設(shè)計索力的相對差值均在5 t 以內(nèi)，兩者吻合的較好。在試驗工況作用下，斜拉索的安全系數(shù)均大于2．5，滿足規(guī)范要求。圖4 是在工況8 作用下索力增量(下游)實測與理論值對比直方圖。

表5 工況4 應(yīng)力實測與計算對比

(5)相對殘余變位。相對殘余變位是檢驗結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力的一個重要指標(biāo)。本橋主要撓度測點相對殘余變位在0 ～3．8%之間，均符合相對殘余變位容許值不大于20%的規(guī)定。說明該橋具備良好的彈性恢復(fù)能力。

圖4 工況8 作用下索力增量實測與計算對比

4 動載試驗

4．1 自振特性測試

橋梁自振特性的測量采用環(huán)境隨機(jī)振動法。用環(huán)境隨機(jī)振動法測量橋梁的自振特性，具有不需要對橋梁進(jìn)行專門激勵的優(yōu)點，只要有高靈敏度的測量儀器和高分辨率的譜分析設(shè)備就能測出結(jié)構(gòu)的自振特性。在沿主梁縱橋向選取13 個豎向振動測試斷面，每個斷面上下游各布置1 個豎向測點，拾取主梁豎向加速度信號。從實測結(jié)果來看，主梁實測頻率與理論計算頻率相對比較吻合、振型一致，說明理論計算比較準(zhǔn)確和主橋動力性能良好。自振特性曲線見圖5，實測結(jié)果見表6。

圖5 結(jié)構(gòu)自振特性實測曲線

表6 結(jié)構(gòu)自振特性實測與計算對比

4．2 動載試驗及分析

橋梁結(jié)構(gòu)在移動車輛荷載作用下產(chǎn)生振動、沖擊等動力反應(yīng)。跑車試驗是一輛30 t 重車以10、20、30、40、50 km/h 的車速駛過橋面，測試主梁Ⅰ、Ⅳ截面的動態(tài)應(yīng)變;剎車試驗是一輛30 t 重車以20 km/h車速行駛，在主梁Ⅰ、Ⅳ截面進(jìn)行剎車，測試相應(yīng)截面的動態(tài)應(yīng)變;跳車試驗是一輛30 t 重車以10、20 km/h 車速駛過設(shè)有障礙物的Ⅰ、Ⅳ截面，測試相應(yīng)截面的動態(tài)應(yīng)變。

在跑車試驗中，Ⅰ截面的實測動態(tài)增量在0．01 ～0．19 之間，最大值出現(xiàn)在時速為40 km/h 時，其值為0．19;Ⅳ截面的實測動態(tài)增量在0．02 ～0．17 之間，最大值出現(xiàn)在時速為30 km/h 時，其值為0．17。說明在跑車試驗時，對主梁的沖擊作用很小。

在剎車試驗中，Ⅰ截面的實測動態(tài)增量在0．03 ～0．24 之間，最大值為0．24;Ⅳ截面的實測動態(tài)增量在0．02 ～0．21 之間，最大值為0．21。說明剎車對主梁造成的沖擊作用比跑車明顯。

在跳車試驗中，Ⅰ截面的實測動態(tài)增量在0．07 ～0．50 之間，最大值出現(xiàn)在時速為10 km/h 時，其值為0．50;Ⅳ截面的實測動態(tài)增量在0．08 ～0．36 之間，最大值出現(xiàn)在時速為10 km/h 時，其值為0．36。說明在有障礙或橋面不平情況下行車時，對主梁的沖擊作用將明顯增強(qiáng)。

5 結(jié)論

(1)恒載下全橋斜拉索的實測索力與設(shè)計索力的相對差值均在5%以內(nèi)，表明成橋時全橋處于比較理想的內(nèi)力狀態(tài)。

(2)在靜載試驗時，實測主梁幾何變形曲線和撓度、塔頂變位、應(yīng)力以及索力增量均與理論計算值比較接近，且主梁殘余變位在0 ～3．8%之間。說明結(jié)構(gòu)在靜力荷載下處于彈性受力狀態(tài)，主梁、索塔剛度性能良好，受力合理。

(3)用環(huán)境隨機(jī)振動法測得該橋自振頻率和振型與理論計算值相比，有較好的吻合，說明結(jié)構(gòu)整體剛度與設(shè)計值相一致。

(4)動載試驗結(jié)果表明:在有障礙行車時對橋跨的沖擊作用比較明顯，建議盡量保持橋面平整避免因沖擊產(chǎn)生不利影響。

(5)該斜拉橋在相當(dāng)于設(shè)計規(guī)定的車輛荷載等級(公路-Ⅰ級)的試驗荷載作用下，主橋結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能良好，承載能力滿足設(shè)計要求。

［1］宋一凡．公路橋梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［2］重慶交通科研設(shè)計院．JTG/T D65-01—2007 公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則［S］．北京:人民交通出版社，2007．

［3］施洲．大跨度獨(dú)塔斜拉橋靜動載試驗研究［J］．鐵道建筑技術(shù)，2005(1):16-19．