斜拉桥荷载试验研究

尹 波

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110003)

1 斜拉桥荷载试验的目的

斜拉桥结构在力学上属于高次超静定结构，是所有桥型中受力较为复杂的一种桥梁结构形式。但由于斜拉桥索力的偏差和施工方法的不同，桥梁结构的最终成桥受力状态可能会有所差异，因此在斜拉桥建成时或运营过程中进行荷载试验检测是非常必要的，其主要目的为：

(1)对斜拉桥进行静载试验，测试主要桥孔的梁及索塔截面的应力、变位，评估校验系数，确定实际承载能力。

(2)对斜拉桥进行动载试验，测试主要桥孔的固有频率、振型、冲击系数及阻尼比，分析评估桥梁的动力响应状态。

(3)根据检测结果，提出桥梁的管养建议。

2 工程实例

某桥梁结构为140m+110m(第1、2孔)的梭型独塔斜拉桥，桥塔是由三个曲线形塔柱交错而成的梭形结构，截面形式为钢箱结构，桥面以下塔柱为钢筋混凝土结构，主梁在索塔中心线两侧32m范围内为预应力混凝土箱梁，其余为钢箱梁。该桥全宽32.3m(含箱梁两侧风嘴)。140m跨的锚索区位于箱梁中心线两侧3m范围内，共13对拉索；110m跨锚索区位于箱梁两侧2m范围内，共13对拉索。中塔柱与主梁固结，在边塔柱处，主梁下设盆式支座支撑于边塔柱间的立柱上。

2.1 模型建立

本试验采用了空间有限元软件Midas Civil对桥梁的主体结构进行建模、分析，其中索塔及钢箱梁采用梁单元进行模拟，全桥共划分成350个梁单元，351个节点，斜拉索采用杆单元模拟，有限元离散模型见图1。

图1 斜拉桥有限元模型图

2.2 静载试验

2.2.1静载试验工况设置

利用有限元模型计算结果，及根据现行规范《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)，确定此次斜拉桥的静载试验工况为：

(1)斜拉桥1孔距塔柱根部中心线80m断面处的最大正弯矩试验工况。

(2)斜拉桥2孔距塔柱根部中心线60m断面处的最大正弯矩试验工况。

(3)塔梁固结段距塔柱根部9m断面处最大负弯矩试验工况。

(4)斜拉桥塔顶部最大位移、变位试验工况。

(5)斜拉桥下塔柱的塔脚断面处(塔柱与桥面交接处断面)最大弯矩试验工况。

(6)1孔第7号斜拉索的最大拉力试验工况。

(7)2孔第6号斜拉索的最大拉力试验工况。

2.2.2测点布置

(1)梁体应变测点布置：在斜拉桥1孔距塔柱根部中心线80m断面处、2孔距塔柱根部中心线60m断面处、1孔距塔柱根部中心线9m截面，共3个主梁截面布置正应变测点，正弯矩截面每个截面布置7个测点，负弯矩截面布置4个测点，共计18个正应力(应变)测点，见图2。

图2 梁体应变测点布置图

(2)主梁位移测点布置：在斜拉桥1孔距塔柱根部中心线80m断面处、2孔距塔柱根部中心线60m断面处，共2个梁体截面布置挠度测点，每个截面布置3个测点，共计6个挠度测点。

(3)主塔测点布置：在塔柱与桥面交接处的塔柱截面左、右侧各布置1个应力(应变)测点，全桥共设置2个应变测点；在塔柱顶部设置1个位移测点，全桥共设置1个位移测点。

(4)拉索索力测点布置：选择1孔第7号拉索和2孔第6号拉索进行索力变化检测，共4个索力测点。

2.2.3加载方式及荷载试验效率

采用双后轴的载重汽车作为该斜拉桥的静载试验荷载加载配重，所有工况最多需要12辆加载车，具体参数及轴重如图3所示。

图3 加载车轴距及轴重图(单位：m)

加载车数量据设计标准活荷载产生的在斜拉桥上(截面)最不利内力或变位值确定，按式(1)所确定的原则等效换算而得，不同截面其荷载效率将随加载位置不同而改变，试验规程要求ηq介于0.95～1.05之间，该斜拉桥的内力值及设计加载工况的荷载效率详见表1。

(1)

式中：ηq—荷载效率值；

Ss—荷载作用下加载控制截面应变或变位的最大计算效应值；

S′—检算荷载在加载控制截面应变或变位的最不利效应值；

μ—按规范计算取用的冲击系数值。

依据该桥的设计文件，设计荷载等级为城-A级，按4车道布置，桥梁结构的荷载横向折减系数值为0.67，偏载系数值为1.15，结构冲击系数值μ=0.05。经过有限元模型计算，各荷载试验工况的试验效率均满足试验规范要求。

表1 静载试验荷载效率表

2.2.4主梁测试结果

主梁各工况下的应变、位移测点实测值与理论值的比较，得到以下结果：

(1)桥梁结构主梁的位移校验系数介于0.47～0.57之间，应变校验系数介于0.48～0.71之间，均小于1.00，说明主梁结构具有足够的整体刚度、强度，符合设计要求。

(2)各加载工况卸载后相对残余变位、应变均小于20%，说明桥梁结构整体处于弹性工作状态。

2.2.5斜拉索测试结果

各工况作用下斜拉桥索力实测值与理论值的比较见表2、表3，索力增量结构校验系数分别为0.95、0.92，拉索实测索力值与计算值吻合较好，说明桥梁体系受力合理，满足设计要求。

表2 1孔第7号索力增量实测值与计算值的比较

表3 2孔第6号索力增量实测值与计算值的比较

2.2.6主塔测试结果

(1)主塔偏位：主塔塔顶纵向偏位实测值与理论计算值见表4。通过对实测值与理论计算值的比较，该桥主塔校验系数为0.36，结构实测受力变形与理论计算值总体吻合良好，主塔纵桥向变形一致性较好，表明该桥主塔具有足够的刚度，满足设计要求。

表4 塔顶纵向位移实测值与计算值的比较

(2)主塔应变：主塔下塔柱根部截面在试验荷载作用下的应力实测值与理论计算值的比较见表5，塔柱截面的应力校验系数为0.14、0.21，表明主塔在各试验工况作用下均处于弹性受力状态，主塔具有足够强度储备，主塔受力合理。

表5 塔脚截面最大弯矩工况下应力实测值与理论值的比较

2.3 动载试验

动载试验的主要目的在于研究桥梁结构的自振特性及在车辆荷载作用下的动力反应，其测试结果是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。本次动载试验主要进行脉动试验、跑车试验，测试的动力特性参数包括频率、振型、阻尼比、冲击系数。

2.3.1脉动试验

脉动试验采用自然环境下的正常激励，利用设置在桥面不同位置的拾振传感器提取结构在周边环境和大地脉动下产生的振动信号，根据采集到的桥梁时域振动数据进行试验模态分析，进而得到斜拉桥结构的动力相应参数。

脉动试验测点布置：在1孔、2孔的跨径十六分点截面处，桥面两侧均设置竖直振动试验的测点，全桥66点，参考点选1孔桥面的跨中断面附近。

图4 桥梁一阶扭转、一阶竖弯振型图

表6 主梁实测固有频率与理论计算频率的比较

从表6中的检测结果可以得到该桥实测固有频率fmi与理论计算频率fdi比值为1.11，大于1.00。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2条确定该桥自振频率的评定标度为1，说明斜拉桥结构的竖向刚度较好。

2.3.2跑车试验

由一辆加载重汽车分别以20km/h的速度在桥面上行驶，桥梁产生具有附加质量(车辆全重)的衰减自振，冲击荷载按中心位置加载，在车辆离桥后桥梁结构作无附加质量的衰减自振，利用时域分析的竖向振动波形(如图5)，按式(2)计算的冲击系数(1+μ)见表7。

(2)

图5 跑车试验—第1孔竖向振动波形(20km/h)

式中：fdmax、fdmin分别为实测最大和最小动挠度。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)计算得出该桥第1孔冲击系数如表7所示。第1孔实测冲击系数为1.03，在规范取值范围内。

表7 跑车冲击系数(1+μ)表

3 结语

斜拉桥作为常用的特殊结构桥型，其受力较为复杂，因此在桥梁交工及运营过程中应及时安排桥梁荷载试验，明确结构的受力状态，为桥梁的日常养护和维修加固提供依据，保障桥梁运营安全。