李家沙斜拉橋成橋靜動載試驗分析

陳劍云

（廣東省交通運輸工程質量監督站，廣東廣州 510420）

0 前言

李家沙特大橋主橋為110 m+220 m+110 m三跨雙塔四索面預應力混凝土斜拉橋，采用平行的上下兩幅橋，兩主梁橫向完全分離，斜拉索布置在主梁兩側形成空間四索面。主梁采用預應力混凝土肋板式結構。主橋共有112對斜拉索，拉索采用直徑為7 mm的鍍鋅高強度低松弛平行鋼絲。主塔采用兩個并列的菱形塔橫向連接而成。該橋設計荷載為公路-Ⅰ級。橋梁結構靜動載試驗是對橋梁結構工作狀態進行直接測試的一種鑒定手段，是檢驗結構強度、剛度以及動力參數等性能的最直接、最有效的方法。在通車前對成橋實施靜動載試驗，其目的在于檢驗橋梁設計與施工質量，確定工程結構的工作性能和可靠性，評價主橋施工質量是否達到設計要求，為竣工驗收提供技術依據，同時也為橋梁建立了“指紋”檔案，為該橋使用過程的維護與檢測提供基準數據。

1 試驗荷載設計與方法

1.1 靜載加載設計

靜載試驗的工況設定和加載位置的確定原則：在加載荷載的作用下，主梁、主塔的內力值控制在設計荷載作用下最不利彎矩效應值的0.8～1.0范圍內，同時，要用最少的試驗加載車輛獲得最大的試驗荷載效率。理論計算使用MIDAS橋梁分析軟件進行，根據計算結果，并經過分析，將靜載試驗分為兩個工況。其中工況1測試A截面最大負彎矩和全橋撓度，采用12輛300 kN的載重汽車，分四級進行加載，滿載后持荷至變形穩定，分兩級進行卸載，卸載后繼續進行觀測至結構穩定。工況2測試內容為B截面最大正彎矩和最大撓度、C截面最大彎矩、3號塔頂最大偏位，采用20輛300 kN的載重汽車，加載和卸載方式同工況1，靜載試驗測試截面見圖1。

1.2 靜載試驗內容及方法

靜載試驗主要進行以下內容的測試：主梁活載正彎矩、負彎矩控制截面應力檢測；索塔塔柱底彎矩控制截面應力檢測；索塔頂水平位移檢測；主梁最大撓度檢測；主梁測試截面附近拉索索力檢測；各主要截面和部位的裂縫觀測。其中，應力測試的儀器是振弦式應變計，斜拉索索力測試采用頻率法，主梁撓度測試的儀器是全站儀和精密水準儀，溫度測試以溫度槍為主要測試工具。

1.3 動載試驗內容及方法

動載試驗的內容包括脈動試驗和受迫振動試驗，主要測定結構的振動特性，分為三個方面，即結構自振頻率及振型測定、結構自振阻尼比測定和結構動力系數測定。脈動試驗是在主梁上布置高靈敏度、超低頻的拾振器，長時間記錄結構在環境激勵下的振動，并對所得信號進行頻譜分析，從而獲得結構的自振特性。通過對環境激勵下橋梁的響應信號進行多次功率譜的平均分析，可得到各階自振頻率的振型、阻尼比等。受迫振動試驗是在主梁主跨跨中截面布置動應變、動撓度測點，以測試在受迫振動荷載作用下的動力響應值，與同樣靜荷載作用下的靜應變、靜撓度進行比較，從而得到不同行駛車速下的動力系數，同時在橋面的主要截面布置高靈敏度拾振器，測試結構的振動響應。

2 靜載試驗結果與分析

靜載試驗主要是在荷載作用下，測量相關的參數，以便可以反映結構的實際工作狀態。本次靜載試驗A截面對稱荷載下最大負彎矩試驗效率為0.96，B截面對稱荷載下最大正彎矩試驗效率為0.94、對稱荷載下最大撓度試驗效率為1.00，C截面對稱荷載下最大正彎矩試驗效率為0.99，3號塔頂對稱荷載下最大偏位試驗效率為0.92，均滿足《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》規定的0.80≤ηq≤1.00的要求。

圖1 靜載試驗測試截面布置圖（單位：cm）

試驗記錄了各工況實測撓度、索力、橋塔偏位、應變及其殘余值，結合理論值可計算出這些測試項目增量的校驗系數。通過這些測量項目荷載效應增量實測值和理論值的比較及校驗系數、殘余值與最大效應測試值的比值等參數判定結構的實際工作狀況。本文限于篇幅，只對各工況的重點考擦內容進行分析。

2.1 各工況主梁撓度分析

滿載荷載下，工況1中最大撓度測點L5、R5實測彈性撓度數值分別為25.41 mm、25.31 mm，平均撓度值為25.36 mm，對應的理論計算值為25.57，相應校驗系數為0.99；工況2中最大撓度測點L12、R12實測彈性撓度數值分別為121.15 mm、117.85 mm，平均撓度值為119.5 mm，對應的理論計算值為113.90 mm，相應校驗系數為1.05，均處于規定的常值范圍（0.70～1.05），說明主梁剛度滿足設計要求。工況2主梁各撓度測點實測撓度曲線見圖2，主梁的實測變形曲線平滑連續，且與理論計算變形吻合較好。

圖2 工況2主梁實測撓度曲線（右側）

2.2 各工況應力測試截面結果分析

滿載作用下，各截面應力（應變）實測結果見表1，由表1可以看出，各工況下對應主梁和主塔截面的應變實測值均小于理論值，校驗系數介于0.76～0.95之間，均小于1.05，在規范要求的合理范圍內，說明主梁和主塔結構具有足夠的強度。

表1 各截面應力（應變）測試結果（單位：με）

2.3 斜拉索索力分析

各級荷載作用下，4號塔中跨12、13、14號索的索力變化較有規律。滿載時，拉索實測索力與設計理論計算值比較吻合，卸載后也基本可恢復，說明結構工作性能良好，其中，部分斜拉索索力變化實測值和滿載理論值見表2。

2.4 主塔塔頂位移分析

工況2滿載情況下，左幅3號索塔塔頂的縱橋向位移的實測值為34.29 mm，理論計算值為45.15 mm，相應的校驗系數為0.76，均小于1.05，在規范要求的合理范圍內，說明主塔剛度滿足設計要求。

2.5 彈性工作性能分析

卸載后，工況1中各主要撓度測點相對殘余撓度介于0%～8%之間，最大撓度測點相對殘余撓度為1%，A截面主要應變測點的相對殘余應變介于0%～11%之間；工況2中各主要撓度測點相對殘余撓度介于4%～8%之間，最大撓度測點相對殘余撓度為5%，B截面主要應變測點的相對殘余應變介于0%～13%之間，C截面主要應變測點的相對殘余應變介于0%～10%之間，均小于規定的相對殘余最大值20%。工況1、工況2滿載下全橋理論撓度曲線與實測撓度曲線之間吻合程度好，主要撓度測點的實測撓度、理論撓度曲線與荷載效率之間均呈良好線性關系，各級荷載作用下兩條曲線斜率比較接近；主要應變測點應變實測值與荷載試驗效率系數線性關系良好，說明結構處于彈性工作狀態。

表2 工況2部分斜拉索索力變化實測值（單位：kN）

3 動載試驗結果與分析

3.1 脈動試驗結果與分析

有限元方法是大型復雜工程結構理論模態分析的主要方法，有限元模型可以提供橋梁結構詳細的空間物理特性與模態特性，而通過實橋的環境振動試驗，采用先進的結構模態參數識別方法，可以獲得橋梁真實的結構特性，計算可知，大橋模態計算值和試驗值見表2。頻率分析：主梁實測前6階自振頻率均比理論計算值大，表明結構的剛度滿足設計要求。各階振型與理論計算對應振型基本一致，表明計算模型正確，同時也驗證了實測數據的正確性。阻尼比分析：阻尼比是體現結構消散外部能量的重要指標，阻尼比越大說明結構越容易消耗外部能量，可能是結構存有結構裂縫的原因導致。本次主梁實測各階平均阻尼比測試結果范圍為1.87%～4.50%，屬于正常范圍。振型分析：本次試驗各階振型與理論計算對應振型基本一致，表明計算模型正確，同時也驗證了實測數據的正確性。

3.2 受迫振動測試結果及分析

車速為20 km/h的勻速行車工況下，主梁中跨跨中截面動撓度曲線見圖3。

在10～60 km的無障礙行車激振和10～30 km的有障礙行車激振作用下，主梁中跨跨中撓度測點的動態效應增大系數見圖4。

圖4 行車試驗動態響應與車速關系

從實測動撓度結果可以看出：各無障礙行車激振工況下主梁跨中撓度的動態效應增大系數介于1.009～1.044之間，最大值出現在時速為40 km時，可見無障礙行車對主梁的沖擊效應不大，說明當橋面平順時，橋面行車對橋跨結構的沖擊作用很小。有障礙行車試驗下主梁跨中撓度的動態效應增大系數介于1.052～1.217之間，最大值出現在時速為10 km時。在不同車速下，有障礙行車試驗的動撓度所對應增大系數均大于無障礙行車試驗的相應動力系數，表明車輛非正常行駛時橋面不平整對結構工作狀況影響較為不利。

4 結語

由該橋的靜載試驗實測數據的分析可知結構各項力學控制指標均基本符合規范要求及設計要求，實測試驗曲線變化與理論計算基本一致，可見該橋結構在試驗荷載下處于彈性受力狀態，主梁、主塔的剛度、強度性能良好，結構受力合理，橋跨結構能夠滿足設計荷載等級公路-Ⅰ級的要求。

由動載試驗實測數據的分析可知橋跨結構具有良好的動力性能，滿足設計要求。跳車試驗所得應變動力系數明顯要大于跑車試驗所得動力系數，說明橋面不平整對結構工作狀況影響較為不利。因此，在橋梁運營過程中應盡量保持橋面平整。

通過橋跨結構的靜動載試驗，在整理分析試驗結果的基礎上建立了該橋竣工后的詳細的結構靜動力性能檔案資料。這也為以后該橋在運營階段，特別是老化階段的檢測與評定提供了基準數據。