斜拉橋靜動載試驗方案設計

門廣鑫

遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽 110015

一、工程概況

某斜拉橋采用梭型獨塔式結構，其跨徑組合為140m+110m，鋼—混凝土混合主梁，索塔結構形狀為曲線塔柱交匯而成的立體梭形，塔柱在橋面以上部分采用的是鋼箱結構形式，橋面下則采用的混凝土結構形式，在索塔中心線兩側30米內的主梁結構采用預應力混凝土現澆箱梁結構，余下部分則為鋼箱梁結構。橋梁全寬32.3m（包括兩側風嘴）。斜拉索在140m的橋跨內錨索區位于箱梁中心線兩側共3m范圍內，共26根斜拉索；在110m橋跨內錨索區位于箱梁兩側各2m范圍內，共26根斜拉索。主梁結構與塔柱采用固結形式，該橋設計荷載等級為城-A級，雙向4車道，設計行車速度為60km/h。

二、橋梁靜動載試驗目的及內容

通過對該橋的靜動載試驗，達到以下目的：

（1）對橋梁結構實施靜力荷載試驗：測量橋跨結構關鍵截面的應力（應變）、撓度（位移），計算、評價各參數的校驗系數，確定實際承載能力；

（2）對橋梁結構進行動力載荷試驗：測量該橋的結構振型、自有頻率、橋梁的沖擊系數、振動阻尼比等，評估橋梁的動力性能。

三、橋梁的靜力載荷試驗方案設計

3.1 模型建立

利用空間有限元軟件midas civil對該橋進行受力分析，鋼箱梁、索塔采用梁單元進行模擬，全橋共劃分350個梁單元，351個節點，斜拉索采用桿單元模擬，有限元離散模型如下圖。

斜拉橋有限元模型圖

3.2 靜載試驗工況

（1）主跨距橋塔中心線79.5m截面在最不利活載作用下最大正彎矩工況；

（2）邊跨距橋塔中心線59m截面在最不利活載作用下最大正彎矩工況；

（3）主梁塔梁固結段距離橋塔中心線9m截面處的最大負彎矩工況；

（4）橋梁主塔塔頂最大變形工況；

（5）索塔的塔腳截面（主塔與橋面交接處截面）在最不利活載作用下最大彎矩工況；

（6）主跨7#拉索及邊跨6#拉索的最大拉力試驗工況。

3.3 靜力荷載試驗的測試點布置

（1）主梁結構的測試點布置方案：

應變測點的布置方案

在主跨距橋塔中心線79.5m截面、在邊跨距橋塔中心線59m截面，共2個測試截面布置正彎矩測點；在邊跨距橋塔中心線9m截面，共1個測試截面布置負彎矩測點。每個正彎矩測試截面橫向均勻布設7個測試點，負彎矩測試截面橫向均勻布設4個測點；全橋共計18個應力（應變）測點。

主梁撓度測點布置方案

在主跨距橋塔中心線79.5m截面、在邊跨距橋塔中心線59m截面、共2個主梁截面布置撓度測點，由于橋下河流影響，采用懸垂法受限制，因此選擇在橋面布點，使用精密水準儀測量，每個截面橫向平均布置5個測點，共計10個撓度測試點位。

（2）橋梁塔柱的測點布設

在主塔與橋面交接處橋塔截面右側各布置1個應力（應變）測點，共2個應變測點；在主塔塔頂處設置1個位移測點，共1個位移測點。

（3）橋梁斜拉索的索力測點布設

根據該橋拉索工況，選擇主跨7#拉索和邊跨6#進行索力變化檢測，共4個索力測點。

3.4 橋梁靜載試驗的施加效率

靜力載荷試驗的加載方式采用雙后軸渣土車作為試驗的等代載荷，各試驗工況加載效率見表1。

斜拉橋靜載試驗荷載效率表 表1

四、橋梁的動力載荷試驗方案設計

動力載荷試驗主要是研究和分析橋跨結構在自然激勵作用下的振動特性，以及在強迫振動（跑車時）下的動力響應形態。針對該橋梁的動力載荷試驗，方案設計擬采用脈動試驗（固有頻率、振型）、跑車試驗（沖擊系數）來獲取橋梁結構的動力響應特性結果，進而評價橋梁結構的承載能力和運營狀態。

4.1 脈動試驗（模態分析）

采用自然激勵方法進行脈動試驗，該橋是通過布置在橋跨結構上的拾振傳感器來采集橋梁結構在自然脈動和所處環境條件下的振動信號，進而分析橋梁結構的試驗模態，獲取橋梁結構的動力響應參數。

脈動試驗測試點的布設：在橋梁的主跨、邊跨的八分點處橋面兩側均布置豎直振動測點，共34點，參考點選在主跨跨中附近。

4.2 跑車試驗（沖擊系數）

用一輛靜力荷載試驗的載重渣土車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h的速度行駛在橋面上，橋跨結構會產生不同幅值的結構自振，在加載車輛逐漸駛離橋后橋梁結構會作無附加質量的自然衰減振動，利用時域分析曲線的豎向振動形態，按下式則可計算出橋梁結構的沖擊系數（1+μ）。

五、結語

斜拉橋結構屬于特殊橋梁結構形式，受力情況較復雜，通過靜動載試驗明確橋梁結構的承載能力和使用狀態，對于斜拉橋的交工驗收或日常養護都是十分必要的。為了能夠順利、準確地完成特殊結構橋梁的靜動載試驗，則要根據橋梁結構的基礎資料、數據制定詳盡的檢測方案，實現對橋梁靜動載試驗過程的預判和控制。