李家沙斜拉桥成桥静动载试验分析

陈剑云

（广东省交通运输工程质量监督站，广东广州 510420）

0 前言

李家沙特大桥主桥为110 m+220 m+110 m三跨双塔四索面预应力混凝土斜拉桥，采用平行的上下两幅桥，两主梁横向完全分离，斜拉索布置在主梁两侧形成空间四索面。主梁采用预应力混凝土肋板式结构。主桥共有112对斜拉索，拉索采用直径为7 mm的镀锌高强度低松弛平行钢丝。主塔采用两个并列的菱形塔横向连接而成。该桥设计荷载为公路-Ⅰ级。桥梁结构静动载试验是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段，是检验结构强度、刚度以及动力参数等性能的最直接、最有效的方法。在通车前对成桥实施静动载试验，其目的在于检验桥梁设计与施工质量，确定工程结构的工作性能和可靠性，评价主桥施工质量是否达到设计要求，为竣工验收提供技术依据，同时也为桥梁建立了“指纹”档案，为该桥使用过程的维护与检测提供基准数据。

1 试验荷载设计与方法

1.1 静载加载设计

静载试验的工况设定和加载位置的确定原则：在加载荷载的作用下，主梁、主塔的内力值控制在设计荷载作用下最不利弯矩效应值的0.8～1.0范围内，同时，要用最少的试验加载车辆获得最大的试验荷载效率。理论计算使用MIDAS桥梁分析软件进行，根据计算结果，并经过分析，将静载试验分为两个工况。其中工况1测试A截面最大负弯矩和全桥挠度，采用12辆300 kN的载重汽车，分四级进行加载，满载后持荷至变形稳定，分两级进行卸载，卸载后继续进行观测至结构稳定。工况2测试内容为B截面最大正弯矩和最大挠度、C截面最大弯矩、3号塔顶最大偏位，采用20辆300 kN的载重汽车，加载和卸载方式同工况1，静载试验测试截面见图1。

1.2 静载试验内容及方法

静载试验主要进行以下内容的测试：主梁活载正弯矩、负弯矩控制截面应力检测；索塔塔柱底弯矩控制截面应力检测；索塔顶水平位移检测；主梁最大挠度检测；主梁测试截面附近拉索索力检测；各主要截面和部位的裂缝观测。其中，应力测试的仪器是振弦式应变计，斜拉索索力测试采用频率法，主梁挠度测试的仪器是全站仪和精密水准仪，温度测试以温度枪为主要测试工具。

1.3 动载试验内容及方法

动载试验的内容包括脉动试验和受迫振动试验，主要测定结构的振动特性，分为三个方面，即结构自振频率及振型测定、结构自振阻尼比测定和结构动力系数测定。脉动试验是在主梁上布置高灵敏度、超低频的拾振器，长时间记录结构在环境激励下的振动，并对所得信号进行频谱分析，从而获得结构的自振特性。通过对环境激励下桥梁的响应信号进行多次功率谱的平均分析，可得到各阶自振频率的振型、阻尼比等。受迫振动试验是在主梁主跨跨中截面布置动应变、动挠度测点，以测试在受迫振动荷载作用下的动力响应值，与同样静荷载作用下的静应变、静挠度进行比较，从而得到不同行驶车速下的动力系数，同时在桥面的主要截面布置高灵敏度拾振器，测试结构的振动响应。

2 静载试验结果与分析

静载试验主要是在荷载作用下，测量相关的参数，以便可以反映结构的实际工作状态。本次静载试验A截面对称荷载下最大负弯矩试验效率为0.96，B截面对称荷载下最大正弯矩试验效率为0.94、对称荷载下最大挠度试验效率为1.00，C截面对称荷载下最大正弯矩试验效率为0.99，3号塔顶对称荷载下最大偏位试验效率为0.92，均满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定的0.80≤ηq≤1.00的要求。

图1 静载试验测试截面布置图（单位：cm）

试验记录了各工况实测挠度、索力、桥塔偏位、应变及其残余值，结合理论值可计算出这些测试项目增量的校验系数。通过这些测量项目荷载效应增量实测值和理论值的比较及校验系数、残余值与最大效应测试值的比值等参数判定结构的实际工作状况。本文限于篇幅，只对各工况的重点考擦内容进行分析。

2.1 各工况主梁挠度分析

满载荷载下，工况1中最大挠度测点L5、R5实测弹性挠度数值分别为25.41 mm、25.31 mm，平均挠度值为25.36 mm，对应的理论计算值为25.57，相应校验系数为0.99；工况2中最大挠度测点L12、R12实测弹性挠度数值分别为121.15 mm、117.85 mm，平均挠度值为119.5 mm，对应的理论计算值为113.90 mm，相应校验系数为1.05，均处于规定的常值范围（0.70～1.05），说明主梁刚度满足设计要求。工况2主梁各挠度测点实测挠度曲线见图2，主梁的实测变形曲线平滑连续，且与理论计算变形吻合较好。

图2 工况2主梁实测挠度曲线（右侧）

2.2 各工况应力测试截面结果分析

满载作用下，各截面应力（应变）实测结果见表1，由表1可以看出，各工况下对应主梁和主塔截面的应变实测值均小于理论值，校验系数介于0.76～0.95之间，均小于1.05，在规范要求的合理范围内，说明主梁和主塔结构具有足够的强度。

表1 各截面应力（应变）测试结果（单位：με）

2.3 斜拉索索力分析

各级荷载作用下，4号塔中跨12、13、14号索的索力变化较有规律。满载时，拉索实测索力与设计理论计算值比较吻合，卸载后也基本可恢复，说明结构工作性能良好，其中，部分斜拉索索力变化实测值和满载理论值见表2。

2.4 主塔塔顶位移分析

工况2满载情况下，左幅3号索塔塔顶的纵桥向位移的实测值为34.29 mm，理论计算值为45.15 mm，相应的校验系数为0.76，均小于1.05，在规范要求的合理范围内，说明主塔刚度满足设计要求。

2.5 弹性工作性能分析

卸载后，工况1中各主要挠度测点相对残余挠度介于0%～8%之间，最大挠度测点相对残余挠度为1%，A截面主要应变测点的相对残余应变介于0%～11%之间；工况2中各主要挠度测点相对残余挠度介于4%～8%之间，最大挠度测点相对残余挠度为5%，B截面主要应变测点的相对残余应变介于0%～13%之间，C截面主要应变测点的相对残余应变介于0%～10%之间，均小于规定的相对残余最大值20%。工况1、工况2满载下全桥理论挠度曲线与实测挠度曲线之间吻合程度好，主要挠度测点的实测挠度、理论挠度曲线与荷载效率之间均呈良好线性关系，各级荷载作用下两条曲线斜率比较接近；主要应变测点应变实测值与荷载试验效率系数线性关系良好，说明结构处于弹性工作状态。

表2 工况2部分斜拉索索力变化实测值（单位：kN）

3 动载试验结果与分析

3.1 脉动试验结果与分析

有限元方法是大型复杂工程结构理论模态分析的主要方法，有限元模型可以提供桥梁结构详细的空间物理特性与模态特性，而通过实桥的环境振动试验，采用先进的结构模态参数识别方法，可以获得桥梁真实的结构特性，计算可知，大桥模态计算值和试验值见表2。频率分析：主梁实测前6阶自振频率均比理论计算值大，表明结构的刚度满足设计要求。各阶振型与理论计算对应振型基本一致，表明计算模型正确，同时也验证了实测数据的正确性。阻尼比分析：阻尼比是体现结构消散外部能量的重要指标，阻尼比越大说明结构越容易消耗外部能量，可能是结构存有结构裂缝的原因导致。本次主梁实测各阶平均阻尼比测试结果范围为1.87%～4.50%，属于正常范围。振型分析：本次试验各阶振型与理论计算对应振型基本一致，表明计算模型正确，同时也验证了实测数据的正确性。

3.2 受迫振动测试结果及分析

车速为20 km/h的匀速行车工况下，主梁中跨跨中截面动挠度曲线见图3。

在10～60 km的无障碍行车激振和10～30 km的有障碍行车激振作用下，主梁中跨跨中挠度测点的动态效应增大系数见图4。

图4 行车试验动态响应与车速关系

从实测动挠度结果可以看出：各无障碍行车激振工况下主梁跨中挠度的动态效应增大系数介于1.009～1.044之间，最大值出现在时速为40 km时，可见无障碍行车对主梁的冲击效应不大，说明当桥面平顺时，桥面行车对桥跨结构的冲击作用很小。有障碍行车试验下主梁跨中挠度的动态效应增大系数介于1.052～1.217之间，最大值出现在时速为10 km时。在不同车速下，有障碍行车试验的动挠度所对应增大系数均大于无障碍行车试验的相应动力系数，表明车辆非正常行驶时桥面不平整对结构工作状况影响较为不利。

4 结语

由该桥的静载试验实测数据的分析可知结构各项力学控制指标均基本符合规范要求及设计要求，实测试验曲线变化与理论计算基本一致，可见该桥结构在试验荷载下处于弹性受力状态，主梁、主塔的刚度、强度性能良好，结构受力合理，桥跨结构能够满足设计荷载等级公路-Ⅰ级的要求。

由动载试验实测数据的分析可知桥跨结构具有良好的动力性能，满足设计要求。跳车试验所得应变动力系数明显要大于跑车试验所得动力系数，说明桥面不平整对结构工作状况影响较为不利。因此，在桥梁运营过程中应尽量保持桥面平整。

通过桥跨结构的静动载试验，在整理分析试验结果的基础上建立了该桥竣工后的详细的结构静动力性能档案资料。这也为以后该桥在运营阶段，特别是老化阶段的检测与评定提供了基准数据。