独塔混合梁斜拉桥动静载试验检测

谢俊

（江西省交通科学研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

根据相关规程收集既有桥梁的技术资料，并进行全面检查和理论分析，对其结构承载能力作出科学判断，这一过程需要收集的数据资料较多，分析过程繁琐。为对既有桥梁结构进行快速、准确的结构承载性能评价，桥梁荷载试验是公认的最直接、最有效，也最具说服力的桥梁结构承载性能评价技术。桥梁静载试验主要根据试验目的和方案，将静止荷载作用于指定桥梁结构位置，并进行桥梁结构静力应变、位移，裂缝、沉降等参数的取值观测，将观测结果与相关规范进行比较，以判断桥梁结构实际承载性能和工作性能。静载试验通常通过车辆等加载设备从零开始逐步分级递增加载，并直至设计荷载。通过静载试验，既能全面了解桥梁结构特性，又能直接解决桥梁结构静力问题，并为动载试验提供结构特性参数等前提条件。

1 工程概况

某桥梁为曲独塔双索面混合梁斜拉-悬臂组合桥结构，主塔为钢混H形塔，主梁为预应力混凝土箱形和π形组合梁，桥面设计宽度为2.0m人行道+1.5m索区+22.0车行道+1.5m索区+2.0m人行道。桥梁塔、墩、梁固结设计，斜拉索为双面索结构，各个索面斜拉索均设置为9对；顺桥向主塔采用曲线斜塔形式，塔背内侧上部及下部分别为半径400m和118m的圆曲线；横桥向则为A形设计，桥梁受力情况复杂。该桥梁在运行的过程中，桥面结构振动不断加剧，越来越不利于安全舒适行车，为此，桥梁管理部门决定对该桥梁实施动静载试验，以评价结构实际承载性能，并为结构养护管理提供依据。

2 试验方案

该独塔混合梁斜拉桥结构理论分析主要在ANSYS有限元分析模型及桥梁博士软件的基础上构建分析模型[1]，前者主要建立起主梁采用板、主塔采用梁、拉索受拉杆单元，并通过调整材料密度以进行二期恒载及成桥内力状态、几何偏差设计图、桥梁监控报告等的模拟；后者则在充分考虑塔梁固结位置位移协调、拉索垂度等影响下，通过拉索角度修正拉索倾斜所引起的内力变化。

2.1 试验内容

考虑到车辆荷载车源丰富、加载卸载方便迅速，故本次试验使用数辆30t载重汽车并按等效荷载原则展开试验，载重汽车数量及加载车辆位置主要根据影响线确定。在选择荷载试验车辆时还应严格进行车辆称重，将试验所用车辆和试验方案所规定的车辆重量差控制在5%以内；同时选用与标准车辆轴距接近的车辆。荷载工况选择时既要能反映桥梁结构最不利的受力状况，又要能满足桥梁承载力鉴定的要求，还要考虑试验时间、试验费用等。

静载试验的内容主要包括试验荷载下应力控制截面应变、桥跨变形趋势规律、主塔位移、拉索索力变动、π形梁主梁横隔梁间试验荷载的分配规律等。就测试工具或方法而言，应变测量主要通过电阻应变片和应变测量系统；拉索索力测量则在频率测定法的基础上充分结合材料弹性模量所对应的斜拉索力增量；位移测量则主要应用高精度全站仪；主塔、梁体和斜拉索温度测量则通过红外温度计。静载试验工况主要选择主梁孔跨中正弯矩最大、主梁墩顶支点负弯矩最大、主塔塔顶纵桥向水平变位最大及踏脚截面弯矩最大等工况；并以中孔跨中周围拉索拉力最大、主梁挠度最大、辅助墩竖向反力最大等为附加工况。

动载试验的内容主要包括斜拉桥阻尼特性、自振频率、冲击系数等，并主要通过速度拾振器结合信号采集处理系统进行数据信息采集和分析，并最终得到对应的动力参数。

2.2 测点布置

在主跨塔梁结合部位A～D断面布置主梁应变测点，并在E断面布置主塔应力测点。在各个拉索锚点、塔中线及边索与塔中间布置挠度变形测点；位移测点则分别布置在塔顶上下游。动载试验过程中应将横竖向传感器分别布置在主跨J5和J8拉索处，并在35m跨和45m跨跨中位置分别布置竖向传感器。

2.3 加载时间

为保证试验结果的准确性，加载时间安排在晚上22:00—次日6:00，这一期间内环境温度较低且较为稳定，温度变化对桥梁结构及测试结果的影响最小，且加载、卸载周期时间差应严格控制在20min以内。为保证结构能在加载、卸载后表现出明显的反应，应在加载、卸载持续一段时间且稳定后再进行观测。

3 试验结果分析

3.1 静载试验结果

该独塔混合梁最大试验荷载偏载加载结果和理论结果的比较具体见表1，根据比较结果，在偏载工况下基于应力实测值所计算的桥边跨偏载系数取值位于1.04～1.08范围内，并未表现出明显的偏载效应[2]，也说明该混合梁斜拉桥边跨箱形截面具有较大的抗扭刚度和强大的抗扭性能。而主跨π形截面梁实测偏载系数取值在1.15～1.25之间，比边跨实测结果明显偏大，表明主跨π形截面的抗扭性能明显比边跨箱形截面弱。

表1 最大试验荷载偏载加载试验结果和理论结果的比较

在偏载和对称荷载的综合影响下，主次边跨加载后的挠度最大值及最不利应力值均小于理论值，所测应力值也不大，卸荷后挠度和应力残余量非常小，全部校验系数取值均在1.0以下，表明卸荷弹性恢复较快，且混合梁斜拉桥梁塔均处于正常弹性工作状态，整体刚度及结构强度均较好。

根据对桥梁竖向挠度实测结果的分析，其挠度纵向变动趋势平滑，且与理论值高度吻合，表明静载试验结果与实桥状态十分接近，也说明该独塔混合梁斜拉桥主梁、主塔及拉索等双索面斜拉-悬臂组合结构变形协调性良好。在静载试验过程中，向该斜拉桥π形横隔梁索施加的汽车轮载主要分配于3根横梁，且单根横梁在最不利工况下所实际承担的荷载为试验荷载的42%。

3.2 动载试验结果

动载试验主要分为激振试验和脉动试验。根据激振试验下动位移最大值及冲击系数实测结果可以看出，随着动载试验车辆行车速度的增大，动位移和冲击系数实测值均有小幅增加；实测动载试验冲击系数最大值为0.147，比规范值0.15小（具体见图1），而刹车试验所测得的冲击系数在0.180以上，比规范值0.15大，表明动载作用下该斜拉桥整体抗弯性能良好，阻尼比实测值接近1%，这也与斜拉桥小阻尼振动结构特性较为吻合[3]。当动载试验车辆行驶速度超出30km/h，则主跨内存在明显的波动感，表明π形主梁横梁及拉索间距等参数均影响行车舒适性。

图1 激振试验车辆行车速度10～40km/h的冲击系数

根据对动载试验车辆行车速度10～40km/h的冲击系数的分析发现，动载试验车辆行驶速度提升后，行车对斜拉桥结构的冲击呈增大趋势，多次反复试验结果也显示，桥面铺装不平顺是造成该桥梁冲击系数增大，并影响行车舒适度的主要原因。

4 结语

综上所述，该独塔混合梁斜拉桥静载试验结果显示，实桥结构强度、刚度良好，偏载受力稳定，桥梁结构实际受力性能好，且不同试验工况下均未发现结构异常，桥梁结构实际承载能力满足设计要求。但该桥梁在使用过程中主塔背索所承担活载不显著，在该桥型设计实践中，应积极探索曲独塔无背索等形式，主塔应反向弯曲设计，对于主塔无法反向弯曲的情况，应在塔背增设预应力，并在锚碇或抗力式桥墩上锚固少量拉索，以起到替代作用。根据动载试验结果，该独塔混合梁斜拉桥桥面铺装层不平顺是引发动载车辆剧烈振动及冲击系数较大的主要原因，为此，必须在保证桥梁整体线形平顺的基础上加强铺装层厚度和密实度控制，避免发生塌陷及坑状病害，以控制和减少行车对桥梁结构的冲击损害。