某独塔双索面混合梁斜拉桥成桥荷载试验研究

王 乐，蒋 鹏，耿 栋

（安徽省公路工程检测中心桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽 合肥 230051）

1 项目概述

某独塔双索面混合梁斜拉桥跨径布置为（30+68+140）m，上跨引江济淮航道。桥梁标准桥宽43 m，桥面为双向六车道，两侧布置人行道、非机动车道，主桥主梁采用混合式叠合梁，主跨共计128 m长度范围内主梁为钢混叠合梁，其余98 m边跨及主跨12 m长部分共计110 m长度范围内主梁为预应力混凝土梁。叠合梁由两侧钢边箱、钢横梁、钢托架、钢小纵梁及混凝土桥面板组成。预应力混凝土梁段为边主梁纵横梁体系，横梁标准间距为3.5 m。主塔采用H形造型，采用钢筋混凝土结构，塔梁固结，塔高80 m，上下塔柱为单箱单室截面；主跨拉索间距10.5 m，边跨拉索间距7 m，全桥共24对48根。边跨混凝土主梁采用现浇C50混凝土，为预应力混凝土边主梁结构，全长97.9 m，伸入中跨12 m。在斜拉索锚固处及斜拉索中间均设有一道横梁，间距为3.5 m。边跨主梁标准截面距梁端54.4 m范围内中间顶板厚60 cm，矩形边主梁宽3.0 m；距梁端54.4～94.4 m范围内中间顶板厚45 cm，矩形边主梁宽3.0 m；在辅助墩及塔梁交接处边主梁加宽至4.0 m。砼梁高为2.7 m。设计荷载：城-A级。主桥纵向布置示意图如图1所示。

图1 主桥纵向布置示意图（单位：m）

2 静载试验

基于成桥竣工图纸，利用MIDAS/Civil建立桥梁有限元模型，根据分析结果确定加载车辆及布置位置、各试验工况的控制值及模态参数。

2.1 主要试验工况

通过有限元计算分析，确定在设计荷载作用下的内力（或位移）最大值所在截面，并将其作为控制截面，由此确定8个主要内力（或位移）控制截面。受篇幅限值，本文以主跨、次边跨为研究对象，分别代表钢纵梁、混凝土纵梁部分，分析在试验荷载作用下的结构承载能力。具体加载工况试验效率见表1。主桥试验工况布置图如图2所示。

表1 主桥静载试验效率系数（以南侧纵梁控制）

图2 主桥试验工况布置图（单位：cm）

2.2 测点布置

2.2.1 应变测点

依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》的有关规定，在主跨L/4、L/2处及边跨L/2处布置挠度测点，且沿南北两侧均布置测点；考虑到偏载沿南侧加载，故在5#墩处南侧索塔顶部设反光棱镜进行索塔纵向位移测量；主跨钢纵梁、次边跨混凝土纵梁（以南侧为主）布置应变测点，具体如图3、图4所示。

图3 工况1主梁控制断面应变测点布置示意图（单位：cm）

图4 工况2箱梁控制断面应变测点布置示意图（单位：cm）

2.2.2 挠度（位移）测点

塔顶位移采用全站仪进行检测，以南侧主塔顶部设置棱镜；桥面挠度测量则采用精密水准仪进行各测点的挠度测量，具体在各控制截面处的南侧、北侧均设置挠度测点。

2.3 静载试验结果

2.3.1 应变检测结果各工况下的应变检测数据及分析结果见表2。

表2 各工况试验荷载作用下应变检测数据 单位：με

以较为典型的第6跨最大正弯矩截面A为例，绘制在工况1试验荷载作用下的应变-梁高关系曲线图，如图5所示。

图5 工况1作用下第6跨最大正弯矩A截面应变沿高度分布图

根据以上曲线图分析，在城-A级等效试验荷载作用下钢纵梁A截面应变沿腹板呈线性分布，基本符合平截面假定。

由以上应变数据可以看出：在等效试验荷载作用下，各控制截面的实测应变与理论应变的变化规律基本一致，且实测值均小于理论值；应变校验系数在0.61～0.92之间，与同类型桥梁的实测结果基本相同，符合规范要求。

2.3.2 挠度（位移）检测结果

各工况下的挠度（位移）检测数据及分析结果见表3。

表3 各工况试验荷载作用下挠度（位移）检测数据 单位：mm

根据以上实测结果，可以看出主跨及次边跨桥面挠度校验系数在0.85～0.92范围内，各工况荷载作用下实测最大挠度为102.38 mm，小于规范限值L/400（350.00 mm）；且经过各工况下的循环加卸载作用，结构产生的挠度能得到恢复，说明结构处于弹性工作状态，满载幅值及弹性恢复情况满足相关规范要求。

2.3.3 索力检测结果

采用频谱法检测斜拉索索力，测试C断面拉索（编号M6）在工况1作用下满载实测结果和理论计算值，结果表明拉索索力增量校验系数为0.62～0.65，略小于应变、挠度校验系数，可能受拉索防护套对检测的影响有关。M6拉索索力增量实测数据见表4。

表4 M6拉索索力增量实测数据

3 动载试验

3.1 自振频率

桥梁结构在接近白噪声的自然环境（如地脉动、风、水流等）震源影响下，会产生随机振动，利用测得桥上的这种微小随机响应信号，通过频谱分析得出该桥的自振频率（固有频率）、阻尼比和振型等。自振频率反应力结构的刚度、质量分布和约束条件情况，通过定期检测自振频率的变化可以反映结构是否存在刚度减小（损伤、开裂）、支座退化等病害。

本次桥梁模态试验将测点布置在边跨四分点位置、次边跨六分点位置、主跨十分点位置（支点除外，下同），具体布置在机动车道南北两侧，共有34个速度传感器测点，依次从小桩号侧向大桩号侧编号为1#（1'#）～17#（17'#）测点，共34个测点，考虑到传感器数量的限制，现场测试时进行分组测试。

对模态振动信号进行模态分析，可以确定相应的自振频率、阻尼比和振型等，表5列举了前三阶模态分析结果。

根据表5，前三阶实测主频和理论计算值对比可以看出，实测各阶自振频率值均大于理论计算值，主桥实测频率与理论频率之比fmi/fdi在1.01～1.09之间，略大于理论刚度，表明桥梁结构整体刚度较好。

表5 主桥实测自振频率与理论计算自振频率比较表

3.2 冲击系数

行车试验荷载采用1辆试验车分别以车速为20、30、40、50、60 km/h不同车速通过桥跨结构，测试主要控制截面处动挠度情况，整理出不同速度下的时程响应曲线，最后计算相应的实测冲击系数。受篇幅限值，列举60 km/h行车时跨中动挠度时程曲线图，如图6所示。

图6 60 km/h行车时跨中动挠度时程曲线图（单位：mm）

根据不同速度下的动挠度时程响应曲线，计算相应的实测冲击系数，具体见表6。

表6 主桥动挠度测点实测冲击系数表

该试验联冲击系数规范计算值为0.05（基频小于1.5 Hz），从表中可以看出实测冲击系数略大于规范计算值，可能与车桥耦合振动、桥面铺装不平整等原因有关。

4 结论

（1）应变校验系数在0.61～0.92之间，符合规范要求，且以主跨钢纵梁为例说明了截面应变分布符合平截面假设。

（2）挠度校验系数在0.85～0.92范围内，各工况荷载作用下实测最大挠度为102.38 mm，小于规范限值L/400（350.00 mm），满足相关规范要求。

（3）主桥实测频率与理论频率之比fmi/fdi在1.01～1.09之间，表明桥梁结构整体刚度较好。

（4）试验车辆在20～60 km/h内的最大冲击系数为0.063，略大于规范值0.050，可能与车桥耦合振动及桥面铺装不平整等原因有关。

（5）综上所述，该桥承载力满足设计荷载要求，结构受力合理。