双塔单索面矮塔斜拉桥荷载试验承载能力评估

2021-09-23彭放枚侯攀

河南科技 2021年13期

彭放枚侯攀

摘要：本文对矮塔斜拉桥进行静动载试验，测试内容包括关键截面应变、主梁挠度、索塔位移、斜拉索索力、冲击系数、自振特性等。同时，将试验结果与理论结果进行对比分析，发现该桥的实际承载能力满足设计及规范要求，结构整体工作性能良好，能为同类型桥梁的设计及荷载试验提供参考。

关键词：矮塔斜拉桥;静载试验;动载试验;承载能力

Abstract： In this paper， the static and dynamic load test of low pylon cable-stayed bridge was carried out， including the key section strain， main beam deflection， cable tower displacement， cable force， impact coefficient， natural vibration characteristics， etc. At the same time， by comparing the test results with the theoretical results， it found that the actual bearing capacity of the bridge meets the design and specification requirements， and the overall working performance of the structure is good， which can provide reference for the design and load test of the same type of bridge.

Keywords： low pylon cable-stayed bridge; static load test; dynamic load test; load-carrying capacity

矮塔斜拉桥是介于斜拉桥和连续梁之间的一种组合体系桥型。虽然该桥型的诞生仅有40多年，但其以一定跨径范围内的高性价比和良好的景观效果，赢得了桥梁设计者和主管部门决策者的青睐[1]。

矮塔斜拉桥的结构受力融合了连续梁和斜拉桥的特点，刚柔并济，以主梁的受弯、受压以及斜拉桥的受拉共同承受荷载。由于其受力复杂，因此，理论计算结果与实际受力状况往往存在一定的偏差。建成后的桥梁受多种因素影响，实际状况往往与理论设计存在一定的差异。对于新建成或既有桥梁，通过荷载试验，能了解在实际荷载作用下，桥梁整体工作状况及各构件的实际受力状态，通过构件的反应判断桥梁是否满足设计要求，从而对结构进行总体评价，为桥梁的运营、维修加固提供科学可靠的依据[2]。

本文以某新建双塔单索面矮塔斜拉桥为例，通过荷载试验，验证该桥实际承载能力是否满足设计要求[3]，通过试验结果的分析比较，为同类型的桥梁荷载试验提供参考依据，为同类型桥梁的设计提供真实的结构案例。

1 工程概况

广西某沿海城市大桥，采用双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥桥型，塔梁固结，跨径为52 m +85 m +52 m，桥面宽35 m。公路-Ⅰ级荷载，人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规范采用。主梁采用变截面单箱五室大悬臂预应力混凝土箱梁，按全预应力混凝土构件设计，采用C50混凝土。索塔为钢筋混凝土结构，全高18 m，有效高度15.4 m，为主跨的1/5.5。斜拉索为单索面，扇形布置，横桥向布置在中央分隔带上，共布置两排，间距为0.7 m，斜拉索梁上间距为3.5 m，塔上间距为1.0 m。全桥共有拉索28根。桥型布置如图1所示，横断面布置图如图2所示。

2 试验方案的确定

2.1 有限元计算

采用MIDAS Civil建立空间有限元模型，如图3所示。同时，考虑支座、承台及桥墩，主梁、主塔、桥墩采用梁单元模拟，斜拉桥采用桁架单元模拟。全桥共采用179个节点、160个单元。建模时采用以下假设：①混凝土为理想弹性材料，混凝土的弹性模量为常数;②截面变形符合平截面假设;③不考虑混凝土铺装层、横隔板、齿块的刚度，但考虑其质量;④不考虑防撞护栏的强度和刚度，但考虑其质量。此外，边界条件、材料及截面参数均根据竣工图纸以及相关规范确定。按照上述原则建立有限元模型，计算结构在设计荷载作用下内力的响应，选取内力最大的截面作为控制截面。

2.2 试验截面选取

根据内力计算结果、现行规范以及试验现场的便捷性等综合因素，选取如图1所示的边跨最大正弯矩A/D截面、中跨跨中最大正弯矩C截面、1#墩墩顶附近最大负弯矩B截面、1#主塔塔顶最大纵向位移E截面，共5个截面作为本次试验的控制截面。

2.3 静载试验方案的优化与确定

选择试验用车辆时，结合内力计算结果和《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）第5.4.6条的规定[4]。为方便试验车辆的租赁，选用目前市面上最常见的自卸车，总重控制在（300±10） kN，单轴重控制在14 kN以内，轴距通常为4 m（前中轴距）+1.4 m（中后轴距）。

试验采用控制截面的静载试验荷载效率进行控制，以最不利截面为试验加载控制截面，各工况下试验所需加载车辆的数量及加载位置，根据设计标准活荷载产生的最不利效应值按式（1）所定原则等效换算而得[4]：

由于该桥地處交通要塞，试验时已经开始试运营，因此，试验选择夜晚进行。由于试验时间有限，为此，需要优化加载工况，缩短试验时间。由于桥面人行道较宽以及护栏设置影响加载位置，根据计算分析，偏载工况和中载工况的响应无明显区别，故本次试验确定进行5个中载工况。经过不断试算和优化，将5个试验工况合并为3个试验工况，加载效率控制在0.86～1.03，满足规范要求，如表1所示。

2.4 测点布置及方法

应变、位移测点布置的原则遵循规范《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）第5.5条的规定[4]。测点布置如图4所示。

2.4.1 应变测试。截面应变测点布置原则按照《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）第5.5条的规定[4]。本次试验采用电阻式应变计进行测量，电阻为（119.9±0.1）Ω，灵敏系数为（2.08±1）%。采用三线制的1/4桥接线方式、温度自补偿模式。应变测试截面是图1中的A/B/C/D截面，其中A/B/D截面的应变测点布置在箱梁外表面，C截面测点布置在箱梁内表面，应变测点布置如图4所示，全桥共布置了32个应变测点。

2.4.2 位移测试。主梁位移测点布置在各控制截面以及支座截面上，位移测试截面是图1中的A/C/D/E截面。测点横桥向布置位置如图4所示。主塔位移测点布置在1#主塔塔顶，布置专用棱镜。本次试验全桥共布置23个位移测点。

2.4.3 索力测试。全桥共计28根斜拉索，单根斜拉索采用31-?s15.2环氧全喷涂钢绞线。由于索体外侧采用了哈弗套管，在无破损的情况下，无法采用频率法，故本次测试采用施工监控过程中安装在锚固区的压力传感器进行测量，在试验前、后的空载状态，分别对全桥恒载索力进行测试，在加载试验过程中，选择各工况最不利的斜拉索进行测试，测试最不利状况下索力的增量情况。

2.4.4 裂缝观测。试验前对全桥进行外观检查，查看是否存在裂缝，安装裂缝测宽仪监测试验过程中裂缝宽度的变化，同时在试验过程中，安排人员对主要受力部位进行巡查，观察是否存在新增裂缝。

2.5 动载试验

桥梁动载试验的内容包括两个方面：一是测量桥梁结构的自振特性和动力响应;二是测量在车辆动荷载作用下桥梁结构指定断面上的动应变和响应。主要试验内容为脉动试验（结构自振特性）和跑车试验。

3 静载试验结果分析与判定

3.1 主梁应变测试结果

在各静载试验工况作用下，主梁的应变测试结果如表2所示。从表2可知：各试验控制截面的应变校验系数在0.523～0.851，均小于1，说明试验截面的实际强度满足设计要求;相对残余应变最大值为12%，均小于20%，说明结构在试验工况作用下处于弹性受力状态。

主梁各控制截面应变横向分布如图5所示。从图5可知：应变片贴在箱室外表面的A、B、D截面测试的结果离散性比C截面各测点的离散性小，产生该现象的主要原因是箱梁外表面施工平整，内表面平整度较差。

3.2 主梁位移测试结果分析

在各静载试验工况作用下，主梁的挠度测试结果见表3，挠度测试曲线见图6。从表3可知：主梁控制截面位移校验系数在0.448～0.669，均小于1，说明试验截面的实际刚度满足设计要求;主梁跨中最大实测挠度为9.23 mm（下挠），小于允许最大挠度值170 mm（L/500），满足规范要求;最大相对残余挠度为9%，小于20%，说明结构在试验工况作用下处于弹性受力状态。

3.3 主塔位移测试结果分析

在静载试验工况二的作用下，1#桥塔塔顶纵桥向位移向跨中偏移5.1 mm，理论值为6.2 mm，纵桥向位移校验系数为0.823，相对残余位移为6.2%。这说明桥塔具有一定的安全储备，呈弹性工作状态。

3.4 索力测试结果分析

在恒载作用下，实测索力与设计索力的偏差在-309～253 kN，位于-9%～8%，在规范要求的误差范围内（±10%），对称的拉索索力基本一致。

在静载试验工况作用下，索力的变化量很小，基本与恒载作用下的索力一致，主要是因为该桥呈强梁弱索状态，主梁的刚度偏大，活载作用下引起的拉索索力变化很小。

3.5 裂缝观测结果

试验前未发现裂缝，试验过程中未发现新增裂缝。

4 动载试验结果分析与判定

4.1 脉动试验结果

结构自振特性是通过测试桥梁的自振频率、振型及阻尼比等参数综合判定桥梁的动力特性，桥梁自振频率的变化不仅能反映结构的损伤情况，而且能反映结构的整体性能和受力体系的改變。通过了解结构在恒载状况下的固有特性，结合静载试验结果，可综合评价桥梁的整体动力性能[5]。

根据理论计算结果，该桥自振特性试验的测点布置在边跨跨中、中跨四分点（见图7），5个测点可测出桥梁的前三阶自振频率、振型及阻尼比。测试结果如表4所示。振型测试结果如图8所示。

从表4可以看出，自振频率实测值较理论值高，比值在1.032～1.283，表明结构的实际整体刚度大于理论刚度;从图8可以看出，实测振型曲线与理论振型曲线基本一致，表明结构实际受力体系与理论一致。

4.2 跑车试验测试结果

跑车试验是通过实际车辆模拟过桥，测试在移动荷载作用下桥梁结构指定断面上的动力响应（应变/位移波动幅度、冲击系数等参数）。该桥的跑车试验截面选择最不利截面，即中跨跨中截面，布置3个动应变测点，进行桥面无障碍跑车试验。试验结果显示，截面的整体应变较小，为了提升试验数据的精确性，跑车试验采用两辆车并列行驶的方式进行。两辆车分别以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h和50 km/h的速度匀速通过桥梁。实测动应变冲击系数结果见表5。结果表明：该桥的实测冲击系数介于0.010～0.086，冲击系数与车速的大小变化无线性关系。

5 结语

本文以一座比较典型的矮塔斜拉桥为例进行较全面的静动载试验，通过试验得出如下结论：

①试验作用下，主梁的挠度、应变、主塔位移、索力等参数在分级加载过程中线性关系良好，相对残余变形及应变均小于20%，结构接近于线弹性工作状态。

②主梁位移校验系数在0.448～0.669，主梁应变校验系数在0.523～0.851，主梁跨中最大实测挠度为9.23 mm，主塔位移校验系数为0.823，表明结构具有良好的安全性。

③在活载作用下，索力的变化量很小，基本与恒载作用下的索力一致。

④桥梁测试自振频率大于理论值，表明结构的整体刚度较理论刚度大;结构的实际受力体系与理论基本一致。

⑤该桥的实测冲击系数介于0.010～0.086，冲击系数与车速的大小变化无线性关系。

⑥该矮塔斜拉桥在试验荷载作用下，试验截面的应变和挠度均在理论分析的合理范围内，且结构动力性能较好，表明该桥的实际承载能力满足设计活载（公路-I级）的要求。

参考文献：

[1]陈从春，周海智，肖汝诚.矮塔斜拉桥研究的新进展[J].世界桥梁，2006（1）：70-73.

[2]申磊，胡锋，崔文涛.某大跨径双塔单索面矮塔斜拉桥动载试验研究[J].公路，2021（2）：124-128.

[3]杨茂华，黎东龙.某矮塔单索面斜拉桥荷载试验分析[J].公路与汽运，2019（4）：139-145.