双塔三跨地锚式悬索桥荷载试验要点分析

洪海涛

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023）

0 引言

城市桥梁的荷载试验一般情况下分为动荷载试验和静荷载试验两种，其技术操作难度高、涉及的专业面宽。桥梁动荷载和静荷载试验的目的是对新建未正式通车的桥梁或已经服役多年的桥梁进行专业的桥梁承载能力状况评定[1]。通过一系列荷载试验将测得的原始数据进行整理计算分析，得出桥梁的整体和部分结构受力性能能否满足设计要求和相关规范。桥梁的荷载试验是分析和评定整座桥梁受力荷载等级最直观和最高效的方式。本文将结合实际案例桥梁对悬索桥荷载试验技术要点进行分析。

1 案例桥梁概况

1.1 基本情况

桥梁全长约13km（上下层总和），车行道面积203067m2，人行道面积22440m2。桥梁的主桥为双塔三跨重力式地锚悬索桥，桥梁的跨径为180m+460m+180m，主跨为钢桁架结构，主桥的左右两端分别设置造型对称的混凝土重力式锚碇，主桥桥塔采用的是钢筋混凝土结构，桥面车行道为上下双层布置，上层宽21m，下层宽17m。主桥的左右两侧均由两联双层三跨连续梁结构的大跨径钢筋混凝土引桥组成。东连接线包括：A、B 匝道桥现浇部分，及A、B 匝道的地面道路、隧道部分，上桥人行通道等几个部分。

1.2 桥梁技术标准

车辆荷载：公路-Ⅰ级，东引桥主线为双向六车道，其余主线为双向八车道，匝道两车道；人群荷载：3.0kN/m2，每侧人行道宽度2m；风动压力：A 类，年平均风速：43m/s：地震烈度：7度；设计基准温度：20℃，缆索、钢梁的施工均以此为参考温度；主线设计车速：80km/h；匝道设计车速：30km/h；主桥为双塔三跨地锚式悬索桥，跨度布置为80m+460m+180m=820m。

2 桥梁荷载试验方案选择

桥梁的静荷载试验是在桥面无车的情况下，利用加载车按照提前布置的工况点进行加载，通过梁底粘贴的应变计、位移计、振动传感器和远处的全站仪对其受压数据进行采集，然后对采集的数据进行整理、计算、分析，获得控制截面应变、局部裂缝、桥主体结构位移等结果，得出此桥的承载能力。

桥梁的动荷载试验是在加载车按照提前布置的工况点通过跑车、跳车等方式将车载在运动中的压力传递到桥面，通过梁底粘贴的应变计、位移计对其受压数据进行采集，通过整理、计算、分析其动态频率、振动波型、阻尼[2]，得出动力的反馈程度和模态参数，继而得出此桥的承载能力。

目前，桥梁承载能力评定应用最多的是静载试验法，动载试验法通常会和静载试验法相结合形成互补。结合此桥的结构特点，选取主桥及典型引桥进行静动载试验。静动载试验包括静载试验和动载试验，根据相关规范要求设置应变、位移、振动等传感器。

3 静荷载试验内容及加载方式

3.1 桥梁静荷载试验原则

3.1.1 检测结构受力体系的关键

本试验要测出桥梁承载能力指标。桥梁承载力的指标是指在桥梁主体结构最不利的受力情况下，每一个主要因素对其影响的综合反映值。在桥梁结构承载力的关键部位对其进行施压，在最不利的受力情况下才能测试出结构的受力特点及限值，所以确定好主要的测试部位是检测结构受力体系的关键。

3.1.2 桥梁整体结构承载力指标内容

桥梁结构承载力指标是指在环境、结构、荷载等因素综合作用下，桥梁结构承受的规定车辆荷载能力的物理力学指标。这些力学指标主要包括桥梁动力学特性、动力响应、整体结构稳定性、结构及材料的刚度和强度。

不同的桥梁结构体系，如斜拉桥、悬索桥、拱桥、连续梁桥等，他们的桥梁承载能力检测的标准和指标也各不相同。所以，先应分析桥梁的形式，再确定荷载试验的具体方案，从而使荷载试验测试出的结果合理准确且能明确地反映出桥梁结构承载能力指标。

3.1.3 实际检测布点位置及车重要求

无论是桥梁的静荷载试验还是动荷载试验，都要在荷载试验前对桥梁整体的受力结构充分了解，在保证桥梁结构不受到损坏的前提下进行加载试验。加载车的车重也不能超过可使桥梁结构破损的限度值。

3.2 试验主要内容

（1）在桥梁主体结构上产生的挠度极限值和扭转变位；

（2）桥梁主体结构的控制截面极限应变，含钢筋混凝土梁体表面和最外侧边缘主筋的应力[3]；（3）桥梁各结构连接部分包括可活动支座的变位；（4）受加载车施加荷载导致桥梁支点的沉降和桥梁墩台的转角与位移；

（5）桥梁钢桁架整体结构支点处杆件和其他部位细长杆件的稳定性；

（6）桥梁的梁底或其他部分出现的裂缝是否出现扩展，包括出现的初始裂缝，其长度、宽度、位置、间距、形状和方向，同时还包括加载车驶离桥面卸载后的闭合情况。

3.3 试验对量测的要求

（1）试验时间尽量选择昼夜温差较小的阴天或者夜间，保持在一个温度平稳的时间段进行荷载试验；

（2）应避免降水、大风天气，可通过官方部门发布的气象信息获得相关资料，需要在荷载试验前，无荷载作用下，记录24h 以上的温度变化，记录的时间间隔要与未来进行的荷载试验程序相同，这样可以对后期荷载试验测出的数据进行修正；

（3）在荷载试验的过程中，现场检测人员可以采用连续观测读取数据、平均分段计算每个荷载阶段读取的数据增量方法[4]；

（4）在荷载试验前需在桥梁各主要构件周边布置一定数量的温度测量仪，每次读取其他测点数据的同时，还需要读取结构对应的温度仪，通过结构温度的位移和温度应力场的计算，可以把采集数据中的温度影响因素分离出来；

（5）荷载试验所需的测量仪器要保证其精度误差低于5%；

（6）荷载试验需要测量选取的基准点如水准观测站、标尺等要保证牢固可靠，和测量仪器一起要进行防晒、防雨、防风、防其它振动的保护。

3.4 静荷载试验加载方法

静荷载试验采用加载车进行加载，在正式加载采集数据前，应提前进行预加载，其荷载值应为正式加载最大应力的1/3～1/2。具体加载时间为20min，每次持续时长为10min，卸载后需持续观测残余变形，间隔为30min。试验荷载拟采用三轴载重车作为加载物，前后轴距3.20m，后轴轴距1.35m。试验加载车横向布置如图1所示。

图1 加载车横向布置示意图

4 动荷载试验内容及加载方式

动荷载试验是测试加载车辆在桥面移动过程中对桥体各结构施加荷载后各部位发生的反应。这是加载车与桥梁两个系统相互作用的结果，与桥梁表面的平整度和加载车试验时的车速有关。

动荷载测试内容包括桥梁自振频率检测、加载车跑车试验、加载车桥面跳车试验，这些试验能反映出桥梁结构的动态特性及整体作用的综合参数。

4.1 加载车跑车试验

试验时以1 辆标准车中后轴停于桥梁需要测试的断面上，同时测试静荷载挠度值。跑车试验时加载车以时速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h 匀速通过对应的桥跨结构，在加载车行驶的过程中，会对桥面产生一定的冲击作用，从而使桥梁结构发生振动。通过动力测试系统测定测试截面处的动挠度时间历程曲线，从而得出在行车条件下的振幅响应、动态增量及相应动力系数。

4.2 跳车试验

在桥梁测试截面处桥面设置高度为10～15cm 的垫木或跳车板，斜边朝向汽车。跳车荷载试验时，让1 辆加载车分别以10～20km/h 的速度匀速通过桥跨结构，在冲过跳车板时对桥梁结构产生冲击作用，这样可以使桥梁拥有较大的竖向振动。同时需测定此时桥梁在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动载反应。

4.3 桥梁自振频率检测

在桥面无任何车辆荷载以及桥梁附近无规则振动源头的环境下，通过高灵敏度动力测试系统测试桥梁所处风荷载、地表脉动、周围水流冲刷等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，从而测得桥梁结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。

5 重难点问题及解决方案

5.1 主桥、引桥变形测量困难及解决方案

5.1.1 问题分析

主桥进行荷载试验时，需要在主跨跨中、主跨L/4、边跨跨中、主塔塔顶测量位移。由于主桥跨度较大，离岸距离较远，加之在晚间进行荷载试验，因此，测量有一定难度。横梁及主梁位移均较小，理论最小挠度仅有1.56mm，若用全站仪难以保证精度，必须选用精度更高的仪器设备保证测量结果的准确性。

5.1.2 解决方案

测量时采用两台全站仪同时测量，相互进行矫正，全站仪位于锚碇外侧大跨径引桥位置，减小荷载试验过程中主桥桥面变形对测量结果的影响。主桥变形测量设备放置点如图2所示。

图2 主桥变形测量设备放置点

测量时，在塔顶放置棱镜进行测量，桥面位移测点均设置棱镜，同时用光照照射，方便测量过程中定位查找目标。对于引桥挠度测量，采用全站仪测量将难以保证精度，且桥面测量受视线遮挡严重，通透性较差，因此，在此采用位移计加支架的方式进行。

5.2 作业环境复杂问题及解决方案

5.2.1 问题分析

大桥地处海洋环境，检测时不同于陆上环境，同时存在海上检测与高空检测的困难。同时由于跨海大桥的桥梁结构形式复杂，单一的检测平台难以有效开展检测工作，给检测工作的开展带来较大难度。因此，在检测时需根据桥梁结构特点和所处的环境条件不同，选择不同的辅助平台。

5.2.2 解决方案

根据该项目中桥梁结构特点和所处环境不同，选择合适的检测方式。对于桥梁不同的结构特点、跨越障碍物类型、交通量等实际检测环境选择科学、合理、高效的检测方式，比如：桥梁检测车、搭架子、长梯、人字梯等多种方式，从而避免检测资源浪费，保证检测工作效率及质量。

6 结束语

本文介绍了某双塔三跨地锚式悬索桥通车后在规定年限需要做的一次静荷载和动荷载的桥梁检测。检测中，对桥梁静荷载和动荷载试验方案进行了优化，包括试验的具体内容及实施过程中的控制要点，对重点、难点问题提出了解决方案。实践证明，只有正确把控试验技术要点，才能保证荷载试验质量，提升荷载试验效率。该项目的经验可作为类似桥梁静载、动载试验的参考。