雙塔單索面塔梁固結連續體系矮塔斜拉橋動靜載試驗研究

徐宇賢

摘 要：根據江門市某條快速路上雙塔單索面塔梁固結連續體系矮塔斜拉橋交工時的動靜載試驗驗收，重點介紹該橋梁的結構計算、模態振型分析、試驗工況介紹、試驗結論分析等內容。通過現場橋梁變位、塔頂偏位、主梁與主塔應力狀態、分級加載作用下拉索索力增量及卸載后彈性恢復情況等實測值與理論值分析比較，結合地脈動測試方法對該橋的模態、振型、阻尼比的特征值分析，結果表明，該橋具有良好的剛度、強度和動力特性，承載能力基本滿足設計荷載要求。

關鍵詞：剛構體系斜拉橋 動靜載試驗 撓度測試 應變測試 動力特性 動載試驗

1.工程實例

1.1工程概況

江門市某快速路斜拉橋主橋為95+168+95 m雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，結構體系為塔梁固接的三跨連續體系。主梁采用預應力混凝土結構，按全預應力構件設計；截面采用變高度、斜腹板單箱三室箱梁；主塔采用單柱PC矩形截面，通過表面結構凸顯立體感。塔高29.00 m，塔身截面縱橋向長度為4.00 m，橫橋向寬度為2.50 m；索布置為雙排單索面，位于橋梁中間分隔帶。主塔塔根沿縱向設無索區，長度分別為38m、26m、28m，梁間距4.00 m，塔間距0.80 m。拉索在塔頂采取鞍座抗滑錨固體系，主梁處為群錨錨固；斜拉索采用環氧噴涂鋼絞線，規格分為37φs15.2 mm和 55φs15.2 mm兩種；主墩墩身采用矩形實心墩，主墩橫橋向寬16.00 m，厚度4.00 m，該橋設計荷載為公路-I級。

1.2試驗目的

（1）檢驗橋梁結構的實際工作狀況，綜合分析判斷橋梁結構在設計活載作用下的承載能力和使用條件，判斷結構受力是否正常及是否滿足設計要求。

（2）檢驗設計和施工質量。

（3）通過對新建橋梁的荷載試驗，為發展橋梁設計理論和提高施工質量。

（4）為橋梁交工驗收提供依據，為橋梁養護、健康監測提供初始數據。

1.3理論計算及測試截面、工況布置

采用橋梁結構有限元分析軟件進行建模，主梁采用空間梁單元進行模擬，模型共864個節點、727個單元，計算模型見圖1。

根據理論計算結果共確定7個測試截面，見圖2。

結合上述測試截面，經過優化合并，該橋靜載試驗共設5個工況，具體見表1。

該橋靜載試驗是使試驗荷載在指定位置對橋梁進行加載，測試橋面縱向、橫向撓度，橋梁控制截面的應變增量，塔頂變位，索力增量，根據理論計算結果與荷載試驗結果比較，以確定橋梁彈性工作性能是否滿足設計要求；橋梁是承受動荷載的結構物，日常運營過程中我們不僅要研究結構本身的動力性質，還要研究車輛移動荷載引起的車致振動，橋梁結構動力特性是橋梁固有特性，是由結構形式、材料特性決定，與外荷載無關，本文介紹脈動試驗對該橋動力特征參數測試分析。

1.4撓度、應變測點

應變：在主梁控制截面1#、2#、 3#、4#、7#底板及腹板高度方向翼板每截面布置16個應變測點，主塔5#截面布置12個應變測點；撓度：①橫向：全橋共布設30個橫向撓度測點，分別布置1#、2#、3#、4#、7#截面，每截面設置6個撓度測點，②縱向主梁左右側各布置19個（共38個）撓度測點，縱橋向分別位于邊跨4等分點、中跨8等分點；塔頂偏位：在13#墩主塔頂安裝1個棱鏡，測試塔頂偏位；索力增量：每個工況選取2根索進行索力增量測試。見圖2。采用DT80G靜態應變采集系統采集應變數據。

模態測試：根據環境隨機振動法，選取低頻特性好、靈敏度高的壓電式加速度傳感器，選擇合適參考點和測試點，避開橋梁墩頂，塔梁固結等節點位置，設置采樣頻率，采集時長，對信號進行濾波、放大，記錄，監控，通過DHMA軟件進行數據后處理，得出每階的振型數據。全橋共布設24個豎向測點，9個橫向測點，6個縱向測點分別布設于護欄兩側及塔頂截面，以主梁7#、15～17#測點作為參考點，分2批次進行數據采集。

1.5靜載試驗結果

本次以工況4各控制截面應變、撓度、塔頂偏位、裂縫監測結果為例介紹。

（1）靜載主梁撓度結果。工況4滿載作用下，4#截面最大撓度測點4-1實測彈性撓度48.68 mm，遠小于橋規限值（168000/600=280.00 mm）；滿載時撓度校驗系數范圍0.84～0.91，滿足滿足規程 的規定常值范圍0.70 ～1.00，結果表明主梁剛度狀況良好，卸載后4 #截面各撓度測點相對殘余撓度介于9.8%～13.1%之間，均小于規程 規定的20%以內，說明橋梁彈性工作狀態良好。

圖4、圖5表明橋梁橫向、縱向撓曲線與理論曲線變化規律基本一致，主要測點實測值小于計算值，說明結構實際剛度大于理論剛度。

（2）應變結果。工況4滿載作用下，4#、5#截面主要測點應變校驗系數介于0.73～0.86之間，實測值均小于理論計算值，滿足規程（0.60～0.90）的常值范圍要求，表明4#、5#截面的強度滿足設計要求。

（3）索塔偏位。工況4各級荷載作用下，13號索塔塔頂最大縱橋向位移實測值為10.80mm，卸載后殘余位移0.70mm，計算值13.74mm，校驗系數為0.74，相對殘余系為6.5%，均滿足規程要求，表明13號索塔剛度符合設計要求。

（4）斜拉索索力測試結果。工況4滿載作用下2根控制索實測索力增量校驗系數0.86～0.91之間，實測值與理論計算值比較吻合，卸載后相對殘余介于6.5%～9.9%之間，也基本可恢復，說明結構工作性能良好。

（5）裂縫監測結果。試驗前和卸載后，對4#、5#截面附近進行檢查，未發現混凝土表面存在裂縫和新增裂縫。

1.6動載試驗結果

對于按批次采集的隨機振動信號采用峰值法做模態參數識別，通過提取平均正則化的功率譜密度曲線上的峰值來確定特征頻率，拾取峰值即可簡單確定豎向自振頻率，統計各階特征值。

通過模態測試結果分析知自振頻率實測值大于理論值，表明橋梁結構各自由度方向實際剛度均大于理論剛度；主梁1階橫彎頻率（1.159）6階出現在主塔縱彎及橫彎之后，主梁1階豎向扭轉頻率1.138 Hz（階數4）出現在主梁2階反對稱豎彎（階數3）后，主塔縱彎頻率0.446Hz（階數1）出現在主塔橫彎之前，說明主塔的橫向剛度大于縱向剛度。

2.試驗結論

在試驗荷載作用下，彈性應變系數處于規程要求的常值范圍，且有一定富余，結構強度符合設計要求；索塔縱向位移實測值、主梁橫向撓度及縱向撓度小于理論計算值，主塔主塔剛度滿足設計活載要求；測索力增量校驗系數滿足規程要求，卸載后相對殘余滿足規程不大于20%的要求，索結構彈性工作性能良好，全過程未出現裂縫，抗裂滿足要求。

由橋梁特征值分析可知，該橋在各自由度方向整體剛度均較大，在運營過程中對車輛的沖擊效應不敏感，具有良好的動力特性，主梁與主塔質量分布和剛度分布與設計較為一致。

3.結語

一般情況下對于結構復雜的斜拉橋交工時應進行動靜載試驗評定其力學性能是否達到設計預期目標。

參考文獻：

[1]公路斜拉橋設計細則.（JTG/T D65-01-2007）.

[2]公路橋梁荷載試驗規程.（JTG/T J21-01-2015）.

[3]斜拉橋.（劉士林）.

[4]上官萍，房貞政，卓衛東.塔梁墩固結斜拉橋結構受力分析.