大跨徑非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋荷載試驗(yàn)分析

李翔 端茂軍 魏洋 李國(guó)芬 程勛煜

摘 要：為詳細(xì)地評(píng)定某斜拉橋的實(shí)際承載能力及狀況，本文通過(guò)對(duì)該橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)試并分析靜載試驗(yàn)中主梁控制截面的應(yīng)變、橋面板局部應(yīng)變、主梁撓度、塔頂縱向偏位及塔根應(yīng)變等靜力參數(shù)，以及在動(dòng)載試驗(yàn)中測(cè)試橋梁的沖擊系數(shù)、自振頻率和振型等動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)。分析結(jié)果表明：各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算一般都較為吻合，部分測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)大于1.0，動(dòng)載試驗(yàn)中部分沖擊系數(shù)大于計(jì)算值，阻尼比為0.338%～1.115%，表明結(jié)構(gòu)承載能力的偏低。該研究結(jié)論對(duì)同類橋梁承載能力分析具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;靜載試驗(yàn);動(dòng)載試驗(yàn);承載能力

中圖分類號(hào)： U446.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2019）05-0091-07

Abstract：In order to evaluate the actual bearing capacity and condition of a cable-stayed bridge in detail， the static and dynamic load tests of the bridge are carried out to test and analyze the static parameters such as the strain of the main girder control section， the local strain of the bridge deck， the deflection of the main girder， the vertical deviation of the tower top and the strain of the tower root， and the dynamic response of the bridge， such as impact coefficient， natural frequency and mode of vibration. The analysis results show that the measured data of each measuring point are generally in good agreement with the calculation. The check coefficient of some measuring points is greater than 1.0， and the impact coefficient is greater than the calculated value in the dynamic load test. The damping ratio is 0.338%-1.115%， which indicates that the bearing capacity of the structure is low. The research conclusion has certain significance for the analysis of the bearing capacity of similar bridges.

Keywords：Cable-stayed bridge; static load test; dynamic load test; bearing capacity

0 引言

獨(dú)塔斜拉橋是近二十年發(fā)展起來(lái)的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)[1-2]。此外在橋梁運(yùn)營(yíng)期間，特別是沿海地區(qū)，鋼筋銹蝕、混凝土碳化等因素會(huì)引起橋梁承載能力的變化[3-4]，荷載試驗(yàn)則是了解實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的方法[5]。

周磊等[6]對(duì)主跨跨徑為380 m的斜拉橋伍佐河特大橋、石兆敏等[7]對(duì)主跨480 m的鋼-混凝土組合梁斜拉橋椒江二橋主橋、黃宛昆等[8]對(duì)一座165 +115 m的單塔單索面斜拉橋、羅鴻等[9]對(duì)主跨跨徑為 386 m 的雙塔雙索面斜拉橋、向勇等[10]對(duì)鋼桁架斜拉橋、Slo-boda Bridg和Bayraktar等[11]對(duì)主跨351 m的雙塔單索面斜拉橋 Nissibi Bridge、劉永健等[12]對(duì)一座主跨206 m的無(wú)背索斜塔斜拉橋、李元兵等[13]對(duì)主跨 1 088 m的蘇通大橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)驗(yàn)證了這些大橋在試驗(yàn)荷載作用下承載能力是否符合設(shè)計(jì)要求。

筆者以某大跨徑非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋?yàn)楸尘埃谶\(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)主梁持續(xù)下?lián)系臓顩r下對(duì)大橋的承載能力通過(guò)荷載試驗(yàn)分析，以期深入研究同類橋梁力學(xué)性能提供依據(jù)。

1 工程概況

某橋?yàn)榇罂鐝椒菍?duì)稱獨(dú)塔斜拉橋跨徑組合是111.8 m+180 m，結(jié)構(gòu)形式采用雙索面布置，斜拉索主跨和邊跨各29對(duì)。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室截面，箱梁寬度為24 m，中心梁高184.5 cm，兩側(cè)邊緣高度為1.7 m，橋塔為“H”型箱形截面，塔高108 m。橋梁立面圖布置如圖1所示。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，對(duì)該橋的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)主梁持續(xù)下?lián)?，主梁下?lián)献畲筇庍_(dá)到19 cm，基于橋梁當(dāng)前的健康現(xiàn)狀，為能詳細(xì)地分析評(píng)定該橋的承載能力，對(duì)該橋進(jìn)行了橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)工況和測(cè)點(diǎn)布置

靜載試驗(yàn)是將可以產(chǎn)生等效于設(shè)計(jì)作用效應(yīng)的試驗(yàn)車輛施加在橋面的指定位置，采集結(jié)構(gòu)在等效試驗(yàn)荷載作用下的靜位移、靜應(yīng)變等參數(shù)，對(duì)橋梁在設(shè)計(jì)作用下的工作性能及承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-16]。

靜載試驗(yàn)工況選擇的測(cè)試截面為：主跨距橋塔140.66 m處（截面A）、邊跨距橋塔38.66 m（截面B）、橋塔根部距橋面1.5 m（截面C）和塔頂（截面T）。選取H18號(hào)索為最大索力測(cè)試索，塔頂為最大偏位測(cè)試控制點(diǎn)，主梁主跨撓度測(cè)點(diǎn)19為最大撓度測(cè)試控制點(diǎn)，橋梁荷載試驗(yàn)主要控制截面及測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

應(yīng)用有限元軟件Ansys軟件建立橋梁模型，該橋的全橋空間模型如圖2所示。

由模型計(jì)算結(jié)果得出，此次靜載試驗(yàn)共采用12輛載重卡車作為試驗(yàn)加載車輛，每車配重至300 kN，橋梁荷載試驗(yàn)共兩個(gè)工況，其中工況一為主跨分三級(jí)加載，工況二為邊跨分兩級(jí)加載，靜載試驗(yàn)加載車輛布置如圖3所示，計(jì)算得到的斜拉橋靜載試驗(yàn)工況試驗(yàn)效率見(jiàn)表1。由表1可以得到每個(gè)控制目標(biāo)下試驗(yàn)效率均滿足《公路橋梁承載能力評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中規(guī)定的0.95≤η≤1.05。

2.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 主梁及橋面板局部應(yīng)變

梁肋A截面在工況一及B截面在工況二作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨梁高變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。

應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)中A截面的測(cè)點(diǎn)Z4、Z6、Z7、Z8的校驗(yàn)系數(shù)超過(guò)1.0，說(shuō)明此工況下主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較差。B截面的校驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.88。主要控制點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變Sp/St最大值為10.3%，殘余應(yīng)變滿足規(guī)范要求。

主梁橋面板局部應(yīng)變結(jié)果對(duì)應(yīng)于工況一的第一級(jí)加載，橋面板下表面應(yīng)變實(shí)測(cè)與計(jì)算值分布如圖6所示，分布規(guī)律較吻合，橫橋向?qū)崪y(cè)應(yīng)變值一般都大于計(jì)算值，經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)系數(shù)最大值1.80（橫橋向）、1.15（縱橋向），均不滿足規(guī)范中要求的校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的規(guī)定。

2.2.2主梁撓度

主梁最大變形發(fā)生在工況一第三級(jí)加載作用下，主梁豎向位移測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

實(shí)測(cè)（上游側(cè)、下游側(cè)）與計(jì)算變形沿橋長(zhǎng)方向的分布如圖8所示，從圖8中可以看出主梁實(shí)測(cè)值一般小于計(jì)算值，邊跨上游實(shí)測(cè)值部分測(cè)點(diǎn)大于理論值，上游側(cè)和下游側(cè)的實(shí)測(cè)變形基本相同，主梁沿橋長(zhǎng)方向的變形分布規(guī)律與計(jì)算較為吻合，主要測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)均為0.93左右，校驗(yàn)系數(shù)偏大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度偏低。相對(duì)殘余變形最大值為1.9%，說(shuō)明橋梁處于較好的彈性工作狀，滿足規(guī)范要求。

2.2.3 塔頂位移和塔根部應(yīng)變

塔頂最大位移和塔根部（截面C）最大受力均發(fā)生在工況一第三級(jí)加載作用下，經(jīng)分析塔頂位移校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變位均滿足要求，但校驗(yàn)系數(shù)偏高。主塔截面C應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示，其中括號(hào)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)為上游側(cè)主塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，由表2可以看出除了沒(méi)有測(cè)出的數(shù)據(jù)，塔根截面C的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均滿足要求。

2.2.4 斜拉索索力增量

斜拉橋斜拉索在工況一第三級(jí)加載作用下增量最大，其主要控制（上游側(cè)、下游側(cè)）斜拉索（H14～H20）索力分布如圖10所示，各檢測(cè)索的索力實(shí)測(cè)分布規(guī)律與計(jì)算較為吻合，但大部分實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，上游側(cè)和下游側(cè)的實(shí)測(cè)索力基本一致，校驗(yàn)系數(shù)在1.00～1.24之間，不滿足校驗(yàn)系數(shù)小于1.0的要求。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

當(dāng)結(jié)構(gòu)的物理特性發(fā)生變化時(shí)，不但靜力特性發(fā)生變化，而且動(dòng)力特性也發(fā)生變化，這一變化對(duì)于現(xiàn)狀評(píng)估有重要意義[17-19]。

3.1 自振特性

該橋自振特性參數(shù)測(cè)定采用941B傳感器進(jìn)行測(cè)定（哈爾濱工力所生產(chǎn)），傳感器信號(hào)采用北京東方振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3062A信號(hào)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并用DASP2010工程版軟件進(jìn)行分析與處理。自振特性測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示，其中T表示橫橋向布置，V表示豎橋向布置，L表示縱橋向布置。該橋自振特性試驗(yàn)的固有模態(tài)參數(shù)分析（自振頻率、模態(tài)振型）見(jiàn)表3，實(shí)測(cè)各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，其中阻尼比無(wú)計(jì)算數(shù)據(jù)。由于篇幅有限，計(jì)算模態(tài)與實(shí)測(cè)模態(tài)取前三階展示，如圖12～圖14所示。

該橋?qū)崪y(cè)各階次自振頻率均略大于計(jì)算值，說(shuō)明橋梁整體稍優(yōu)于設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)測(cè)阻尼比偏低，說(shuō)明橋梁減振性能較差，實(shí)測(cè)各階次的模態(tài)振型與計(jì)算基本一致。

3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)

強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)沖擊系數(shù)隨著車速的增大而增加，且與路面平整度有關(guān)，當(dāng)橋面平順性不佳或鋪裝層有坑槽等病害對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用明顯增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時(shí)，大于本橋的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)1.05。

4 結(jié)論

（1）在靜載試驗(yàn)工況作用下，各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值一般都較吻合，但校驗(yàn)系數(shù)偏大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度偏低，部分測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)大于1.0，不滿足驗(yàn)系ζ數(shù)值不大于1.0的規(guī)定，說(shuō)明結(jié)構(gòu)承載能力的安全儲(chǔ)備偏低。

（2）在靜載試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)殘余變形較小，該橋在靜荷載卸載后的結(jié)構(gòu)相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為10.3%，相對(duì)殘余變形最大值為1.9%，符合規(guī)范規(guī)定的20%，說(shuō)明橋梁在設(shè)計(jì)可變作用下結(jié)構(gòu)彈性工作受力狀態(tài)良好。

（3）在橋梁靜載試驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生明顯異響現(xiàn)象，橫隔板側(cè)面斜裂縫在車輛加載工況作用下縫寬減小，說(shuō)明橫隔板裂縫在橋面車輛作用下不會(huì)開(kāi)展，橫隔板裂縫不是由于橋面行車產(chǎn)生。

（4）在動(dòng)載試驗(yàn)作用下，得出當(dāng)載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時(shí)，大于本橋的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)1.05。實(shí)測(cè)各階次的模態(tài)振型與計(jì)算值基本一致，實(shí)測(cè)各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，阻尼比的常規(guī)值為1%～5%，即該橋的阻尼比偏低，說(shuō)明橋梁的減振性能較差。

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