江阴大桥全桥荷载试验及服役状况分析

2022-02-12朱志伟吉伯海

现代交通与冶金材料 2022年1期

朱志伟，庞根，吉伯海

（1.江苏扬子江高速通道管理有限公司，江苏靖江 214521；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）

1 背景

江阴大桥是我国首座跨度超千米的悬索桥，采用双塔单跨悬索桥的设计方案，一跨过江，主桥桥跨布置为336.5 m+1385 m+309.34 m，建设总长为3071 m，其中南北两侧边跨采用无吊索形式。自1999年通车以来，日均最大通车量为15万辆，累计通车量已超过3亿辆，尤其是超载、重载车数量的不断增加，大桥构件的老化不可避免，桥梁的服役状况与结构安全难以评估。

目前对大跨桥梁的整体性能评估，通常采用全桥荷载试验的方式，能够直接获得大桥关键部件的实际受力状况，是检验大桥性能及运营状况最直接最有效的手段［1］。李万恒等［2］以三塔连跨悬索桥为背景开展全桥荷载试验，测试大桥的自振特性及冲击系数，并依据不同工况给出结构校验系数的建议范围。秦金环等［3］基于静载试验对加劲梁挠度、主缆线形以及主缆索股锚跨张力进行评估分析，依据动载试验完成动力特性的研究。国外学者［4-6］基于静动载试验对Normandie桥、Kao-Ping-His桥及Tatara桥的动力特性和结构状况进行探究。田志勇等［7］为判断自锚式悬索桥实际承载能力，通过静动载试验分析了各工况下桥梁关键部位的结构特性。周海俊等［8］通过静载试验测试了控制截面的应变、挠度及裂纹情况，通过动载试验完成了对车辆冲击系数的研究。史耀华［9］采用数值模拟结合实桥荷载试验的方法对刘家峡大桥的主要结构部件进行分析研究，根据有限元计算确定静动载试验的具体方案，并在特定工况下对结构应力变形、主缆位移及索力等进行检测评定。

为了掌握大桥服役15年后各部件的实际工作状态，判断大桥在大流量背景下的承载能力及整体性能，江阴大桥于2014年7月开展了全封闭荷载试验。此次荷载试验可为大桥后续管养及科研工作提供科学依据，也能够为今后同类型桥梁全桥荷载试验提供参考。由于全桥荷载试验内容多，受本文篇幅所限，重点针对主梁、主缆及锚跨索股等与桥梁整体结构安全密切相关的关键指标进行探讨分析。

2 全桥荷载试验概况

2.1 荷载情况

本次静载试验车辆总重340 kN，前轴重60 kN，中轴、后轴重均为140 kN。试验加载车前中轴间距3.5 m，中后轴间距1.4 m；动载试验则选用6辆载重汽车（自重约350 kN），以5 km/h的速度自南向北通过桥面。试验车辆具体平立面尺寸如图1所示。

2.2 加载工况

综合考虑主桥结构的分析计算、主要测试内容及监测设备布设位置、桥梁静载试验最不利受力原则和代表性原则［10］确定此次荷载试验的计算工况和加载断面。拟在全桥范围内选取S1，S2，S3共3个控制断面，分为四个工况进行加载，桥梁静力试验荷载效率及各工况下主要断面内力变形的理论设计值如表1所示。

表1 主桥控制断面试验荷载效率系数表

图2为江阴大桥悬索桥总体立面图，其中S1，S3断面位于主跨1/4截面处，S2断面位于跨中截面处。考虑到工况断面和实际监测过程中观测站点位置、设备安置等因素，中跨主缆测点位置选择在八等分点处，测点（11#，21#，32#，43#，53#，63#，74#）具体布置详见三角形标注位置。

图3为各工况下的加载车辆布置图，共56辆试验车参与。除工况二为偏载布置外，其余三个工况均为对称加载。

2.3 监测内容及主要设备

主梁动力特性测试采用TDR（遥测数据记录器）进行数据采集，传感器采用压电加速度计，其中采样频率：50 Hz；低通滤波：20 Hz。数据传感器布置在主桥十等分点处，上下游对称布置两个测点，每个测点测量两个方向振动数据，分别为横向（垂直桥方向）以及垂直向两个方向；共计36个测点。且每个测点采集时间为1800 s，每个工况采样2次。此次主要采集大桥主梁测点的加速度响应，为后续桥梁的模态分析提供数据。

中跨主缆测点位置根据实际情况和荷载试验监测需要选在八等分点处，位置可详见图2测点布设。其中21#测点为主缆处，43#测点为主缆处，63#测点为主缆处。中跨主缆上下游各布设7个测点，共14个。将带螺母的棱镜杆与测点索夹位置上的螺杆固定，并在南北塔上横梁处控制点处架站进行监测，通过极坐标方法观测测点三维坐标即可确定主缆线形变化情况。

对于锚跨索股索力监测一般采用振弦式索力计，首先将索力计绑扎在预测量的拉索上，再对吊索进行激振并采集振动数据，然后对振动数据做频谱分析并现场记录，即可完成测量。

3 试验结果对比分析

3.1 主梁动力特性

利用Midas建立有限元模型，分析模态参数计算值，采集各测点加速度响应数据进行模态识别，结合模态参数计算值得到其固有频率和振型。有限元模型及部分振型分析图如图4和5所示；主梁动力特性的理论、实测与竣工数据对比表如表2所示。

表2 江阴大桥主梁动力特性对比表

上表中主梁一阶侧弯对称，在实测中无数值；一阶侧弯反对称振型的频率实测值为0.146 Hz，竣工值为0.127 Hz，两者频率相差15%。在试验过程中一阶侧弯对称振型的监测传感器出现故障，导致数据异常和缺失，后期将对其加强监测管理。主梁其余各振型的自振频率数据良好，频率差值均在5%以内，即竣工试验以来主梁整体性能未发生明显变化，结构状况与质量分布达到设计目标。实测值大于理论值且实测各振型均未发生明显变异，说明桥梁整体无明显缺损破坏，侧弯刚度未见减弱。在实际监测过程中，车辆荷载的反复作用使主梁出现数量较多的疲劳裂纹，局部的病害显著增加，今后将对主梁的局部性能做进一步的评估研究。

3.2 主缆线形

通过对比分析主缆竖向挠度实测值与理论值可得出主缆线形变形情况，其主要测点的布设情况如图2所示，各工况下主缆竖向挠度数据及校验系数如表3所示。

表3 各工况主缆测点位移变形及校验系数表

由表3可知，主缆关键测点挠度校验系数基本位于0.50～1.01范围内，试验中仪器设备误差或是温度影响导致部分校验系数过小，校验系数较大可能是因为江阴大桥采用粗钢丝绳作为防撞栏，提供了额外刚度；大部分校验系数集中在0.76～1.01范围内，表明主缆结构竖向刚度满足设计要求［11］。实际监测过程由于部分设备安装工作难度较大导致出现故障，使得表中个别测点的校验系数和位移实测值出现空缺，大部分测点数据正常。各工况下实测数据与理论数据相差不大，主缆线形具体变化情况如图6所示。

由图6可以看出，在四种工况下关键测点位移实测曲线与理论曲线基本重叠，说明实测结果与理论计算有较好的吻合性。对称加载工况作用下，上下游主缆变形实测平均数据与理论数据基本一致，说明上下游主缆变形协调，桥梁对称性良好；偏载工况二作用下呈现出下游侧主缆竖向位移大于上游侧的现象，符合偏载布置实际情况，说明桥梁整体性良好。

3.3 锚跨索股索力

试验中对大桥的锚跨索股索力进行实测，并将其与竣工时的索力对比分析，结果如图7所示。

锚跨索股安全储备系数定义为实测索力与单根极限拉力（4567.9 kN）的比值，规范要求［1］索股的安全储备大于2.50。由于篇幅所限加之索力数值较多，通过代入数值计算得出储备系数范围位于2.50～3.30之间，说明索股整体上未出现拉力过大或者松弛现象，安全状况良好。

由图4（a）可知，实测索力与竣工索力对比系数图大致呈正态分布，对比系数基本集中在中间0.86～1.10范围内，其中0.96～1.00范围内的比重近1/3，0.86～1.10范围内比重达96.4%，说明15年服役期间，大桥索力值基本上变化不大。极个别索力比值偏离较大，可能是由于监测设备布设出现误差，或是某些索股性能衰退过快，后期应对其重点监测关注。由图4（b）可知，南北锚室上下游索力总和比值系数处于0.97～0.98之间，实测索力总和略小于竣工索力总和，说明在大流量背景下大部分索股性能衰退速率较小，整体受力性能良好。同一岸侧的上下游实测索力总和值基本一致，说明两根主缆整体受力状况相似，未出现明显扭转受力现象。上游或下游侧南北岸实测索力总和值差别不大，说明两根主缆南北岸锚固受力状况相似，未发现明显受力不均现象。