基于荷载试验的斜拉桥承载能力评定分析

2023-12-28安徽建工检测科技集团有限公司安徽合肥230031

安徽建筑 2023年12期

解慧（安徽建工检测科技集团有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

斜拉桥是由承压桥塔、斜拉索和受弯主梁组成的一种多跨弹性支承连续桥梁，是大跨度桥梁的主要桥型之一，具有跨越能力大、结构轻盈和造价低等优势。但斜拉桥在力学分析上属于高次超静定结构，受力情况较为复杂。

随着国内斜拉桥建设数量的不断增加，斜拉桥验收性荷载试验方法也逐渐成熟。斜拉桥使用前可通过静载试验和动载试验来判定桥梁实际健康状况和承载性能。静载试验主要检测静载作用下桥梁控制界面的应力、应变及变位等数据，以此评估校验系数和确定斜拉桥承载能力。动载试验以不同速度的动载通过斜拉桥，收集桥梁结构的振动特征和动力系数等数据，分析桥梁的动力特性。

本文基于桥梁规范标准，以某主跨120m 的Y形独塔斜拉桥为实例，进行斜拉桥验收性荷载试验，评估该桥的初始成桥情况，为其后期管理养护提供依据。

1 工程概况

某斜拉桥为预应力混凝土等截面连续箱梁斜拉桥，桥梁总长210m，桥宽22.5m，桥梁位于R=400m 的平曲线上。主桥主梁采用2×60m 单箱双室预应力混凝土连续箱梁，梁高2.5m，梁宽22.5m；引桥主梁采用3×30m 预应力混凝土等截面连续梁，采用单箱四室截面，箱梁桥面板宽22.5m，梁高2.0m，斜拉桥立面布置示意图见图1。

图1 斜拉桥立面布置示意图

桥塔采用墩梁塔固结形式，梁上部塔高35m，塔底截面尺寸为3.5m×2.5m，向上分叉形成Y 字形。该桥一共设置16 对斜拉索，布置形状为扇形，采用15-22 环氧喷涂钢绞线预制成品束。桥台使用重力式桥台，基础为群桩基础，均为C35 混凝土，预应力箱梁采用C50混凝土。

2 荷载试验方案

2.1 有限元模型建立

根据工程概况资料，采用MIDAS CIVIL 2021建立斜拉桥主桥有限元模型并进行受力分析，模型见图2。根据主梁在控制荷载下的弯矩、挠度包络图并结合规范可确定各试验工况及控制截面，主梁弯矩、挠度包络图如图3 和图4所示。

图3 主梁弯矩包络图

图4 主梁最小挠度包络图

2.2 控制截面

本次静载试验共选取4 个控制截面对应四种工况，分别为主梁第5 跨最大正弯矩工况A-A 截面、主梁第5 跨最大挠度工况B-B 截面、主塔塔顶纵桥向最大水平位移工况C-C 截面、主梁主墩墩顶最大负弯矩工况D-D 截面，试验控制截面示意图如图5所示。

图5 试验控制截面示意图

2.3 静载试验

2.3.1 试验荷载效率

为了保证静载试验的有效性和准确性，需要使试验加载工况的静载试验效率η 满足规范要求。通过斜拉桥主桥有限元模型计算分析，确定静载试验时主桥结构控制界面处等效均布荷载的位置和大小，最终得到表1 的试验荷载效率，均在0.85～1.05。

表1 试验荷载效率

2.3.2 加载车辆布置

本次静载试验在满足试验荷载效率以及能够达到试验目的的前提下，将工况1～工况3 进行合并，优化静载试验方案，从而避免重复加载，提高试验效率。结合现场的加载设备、试验基本原则以及斜拉桥主桥有限元模型计算结果，本次试验采用6 辆载重为360kN 的三轴车辆进行加载。试验加载车辆轮位布置图如图6 和图7 所示。图中1～2#试验车辆为第1 级加载，3～4#试验车辆为第2 级加载，5～6#试验车辆为第3 级加载。轮位尺寸对应为中间防撞护栏边缘线的弧长，车辆与桥梁曲线的切线方向平行，这是连续弯箱梁桥不同于直桥的车辆布置关键点。

图6 工况1～3试验车辆轮位布置图

图7 工况4试验车辆轮位布置图

2.3.3 应变及变位测点布置

静载试验主梁单向应变测试截面为A-A 截面、D-D 截面，采用电阻应变片进行测试以反映结构的受力特征和应变分布规律，应变采用“一对一”的温度补偿方式，即在每个测点位置的纵横向粘贴两个相互垂直的工作应变片形成互补。该桥为连续弯箱梁桥，应变片需要沿桥梁曲线的切线方向布置，并且要紧密贴合于箱梁下表面，减少试验误差和不利影响。测试截面主要应变测点的具体布置如图8和图9所示。

图8 测试截面A-A应变测点布置示意图

图9 测试截面D-D应变测点布置示意图

静载试验主桥变位测试截面为AA 截面、B-B 截面，主塔纵桥向水平位移测试截面为C-C 截面以及支点沉降测试截面，通过水准仪和全站仪进行观测，以此反映斜拉桥的变位规律。其横向布置如图10所示。

图10 主梁测试截面变位测点布置示意图

为了获得试验荷载与结构变位、应变关系的连续曲线，并防止桥梁结构出现意外损伤，本次各试验工况的试验荷载均按3级加载、3级卸零。

2.4 动载试验

动载试验分为动力特性测试和动力响应测试，可以解决两个问题：一是桥梁结构的自身动力性能，可用于结构动力特性评价；二是汽车荷载作用下桥梁结构的动态响应规律。

2.4.1 动力特性测试

动力特性测试主要测试三个参数，即自振频率、振型和阻尼比，本试验采用环境随机激振法和行车激振法来识别结构的自振特性参数。根据理论振型分析结果，测试截面均按各跨跨径的六等分截面简化布置，每个截面在中央防撞护栏边缘布设一个测点。具体布置情况如图11和图12所示。

图11 动力特性测试截面示意图

图12 拾振传感器横向布置示意图

2.4.2 动力响应测试

动力响应测试是指斜拉桥在特定动荷载作用下的动态输出测试。本试验通过测试动应变来获得不同试验工况下的动力放大系数，动力放大系数取同截面或者同部位多个测点的平均值，当进行多次试验时也可取该试验工况下的最大值。综合考虑该斜拉桥的结构布置和现场条件，选取A-A 截面为测试截面，动应变测点的布置如图13所示。

图13 测试截面动应变测点布置示意图

3 试验结果分析

3.1 静载试验结果

3.1.1 应变测试结果

在各试验工况荷载作用下，相应测试截面主要测点的应变实测值以及实测值与理论计算值对比分析结果如表2 及图14、图15所示，由于篇幅有限，表中仅选取主要测点。

表2 主要测点应变实测与理论对比分析结果

图14 截面A-A各测点应变数据对比图

图15 截面D-D各测点应变数据对比图

通过图表数据分析可知，斜拉桥主要测点应变校验系数在0.62～0.87，最大应变校验系数出现在工况4的D-2测点，其值为0.87，小于1；相对残余应变在6.91%～12.15%，不大于20%，说明斜拉桥主桥结构整体刚度大、强度高，桥梁初始状态良好。

3.1.2 变位测试结果

在各试验工况荷载作用下，相应测试截面主要测点的变位实测值与理论计算值对比分析结果如表3 所示，由于篇幅有限，表中仅选取主要测点。

表3 主要测点变位实测与理论对比分析结果

由表中数据可知，斜拉桥主要测点变位校验系数在0.68～0.85，最大应变校验系数出现在工况4的A-2和C-1测点，其值为0.85，小于1，即斜拉桥主塔纵桥向水平位移满足要求；相对残余变位在6.24%～11.12% 之间，不大于20%，说明斜拉桥结构初始状态处于弹性状态。

3.2 动载试验结果

3.2.1 动力特性测试结果

计算分析斜拉桥主桥有限元模型得到该桥主梁的前二阶竖向振型和自振频率如图16 和图17 所示，实际测试的斜拉桥结构前二阶竖向振型如图18 和图19 所示。由图可知，实测前二阶振型与计算振型均基本吻合，未见明显变异区段。斜拉桥主梁竖向一阶实测振型和计算振型均呈竖向反对称弯曲，二阶振型均呈竖向对称弯曲。

图16 竖向一阶计算振型（f1=1.63Hz）

图18 实测一阶振型

图19 实测二阶振型

实际测试的前二阶自振频率、阻尼比与理论计算值对比如表4 所示。斜拉桥主梁实测前二阶竖向弯曲振动频率分别为2.10Hz、2.59Hz，均比计算值1.63Hz、2.06Hz 大，代表斜拉桥结构实际刚度大于其理论刚度。

表4 自振频率和阻尼比测试结果

3.2.2 动力响应测试结果

采用无线动态应变采集器对各试验工况的动应变曲线进行采集、分析，各试验工况下实测动力放大系数与设计取用的冲击系数对比如表5所示。

表5 动力放大系数测试结果

在各试验工况荷载作用下，斜拉桥测试截面的动力放大系数均小于计算冲击系数。其中无障碍行车工况下，当车速20 km/h 提高到30km/h 时，动力放大系数随之增大。各试验工况中有障碍行车的动力放大系数最大，说明桥梁的桥面铺装平整度对行驶车辆的冲击影响比较大。

3.3 其他观测结果

现场试验前对主要受力构件的既有裂缝进行了详细的调查和测试，既有裂缝分布在斜拉桥第4 跨和第5 跨底板表面，为横向裂缝，最大宽度为0.19mm。试验过程中利用裂缝测宽仪对选取控制截面附近的裂缝进行监测并观测新裂缝的开展状况，结果表明在各试验工况荷载作用下，斜拉桥跨各裂缝最不利控制截面未见裂缝开展。在静力试验荷载作用下，斜拉桥结构未出现异常振动或者声音等问题。