基于桿系單元某獨塔斜拉橋靜動載檢測試驗的實例分析

邵森泉 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程背景

本工程實例上部結構為（90+110）m斜置拱塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，塔、梁、墩固結體系，主梁采用雙主梁肋板式結構形式，錨跨壓重區域主梁截面采用箱型截面，全長205m，全寬40m，標準橫斷面為：0.25m（欄桿）+2.25m（人行道）+3.5m（非機動車道）+3m（隔離帶）+22m（機動車道）++3m（隔離帶）+3.5m（非機動車道）+2.25m（人行道）+0.25m（欄桿）=40m，道路等級為城市主干道Ⅲ級，荷載等級為公路-Ⅰ級；下部結構為主墩基礎采用承臺灌注群樁基礎，承臺頂設1.5m高塔座。橋臺采用樁柱式臺、鉆孔灌注樁基礎。

2 理論分析

進行荷載試驗前，根據設計資料，使用有限元分析軟件Midas Civil 2020建立模型，全橋共169個節點，211個梁單元，68個只受拉桁架單元，支座處采用彈性連接模擬，計算橋梁結構在不同試驗工況作用下控制的應變、應力和位移理論值。模型如圖2所示。

圖1 橋梁現場照片

圖2 有限元分析基礎模型

3 靜載試驗

3.1 試驗工況

根據橋梁結構形式、業主要求及現場調查發現的橋梁施工質量缺陷確定試驗工況如表1所示。

試驗工況一覽表 表1

撓度測點布置在橋梁控制截面底緣處，測點布置見圖3。

圖3 撓度位移測點布置

本橋梁靜載試驗共布置5個撓度位移測點，分別為梁底f1、f2和f3，橋面f4和f5。

塔頂偏位選擇使用全站儀進行各測點的偏位測量。為測得在試驗荷載作用下，該橋塔頂最大側移分級變化過程，偏位控制測點設置在塔頂處。測點布置見圖4。

圖4 塔頂最大偏位測點布置圖

在本橋梁最大正彎矩控制截面梁底緣各布置3個表面應變計，分別位于雙主梁與橫肋處，應力測點布置見圖5。

圖5 應變測點布置

塔身最大彎矩控制截面設在塔梁固結處，主塔與橋梁鋪裝層搭接處布置2個測點，測點布置見圖6。

圖6 塔身截面彎矩應力測點布置圖

車輛橫向布置圖見圖7及圖8。

圖7 車輛偏載橫向布置圖（單位：cm）

圖8 車輛對稱加載橫向布置圖（單位：cm）

本次靜載試驗過程中，應變采用DH3816應變采集儀進行應變實時采集，沉降位移采用拉線式位移計和撓度儀進行測量。

3.2 靜載試驗評定結論

靜載試驗主要是通過結構校驗系數、相對殘余變形或相對殘余應變等數據對結構工作狀況進行評定。

根據表2及圖9～圖12可知，各工況作用下應變校驗系數在0.36～0.88之間，變形校驗系數在0.53～0.74之間；相對殘余應變在0.1%～15.8%之間，相對殘余變形在3.20%～10.20%之間，說明橋梁處于彈性工作狀態以及具有一定的安全儲備。

索力評定表 表2

圖9 變形校驗系數曲線

圖10 相對殘余變形曲線

圖11 應變校驗系數曲線

圖12 相對殘余應變曲線

4 動載試驗

4.1 布置拾振傳感器

本橋根據振型的特點，在振型的峰、谷位置布置相應傳感器。主要布置在每跨八等分處。每跨共分別布置7個拾振傳感器。見圖13。

圖13 拾振器布置圖

4.2 動載試驗結果

4.2.1 跑車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h、20km/h的速度駛過，并采集運行車輛荷載作用下的動力特性。圖14～圖15為車速10km/h和20km/h跑車曲線。

圖14 10km/h跑車曲線

圖15 20km/h跑車曲線

4.2.2 剎車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h和30km/h的速度駛至測試截面進行剎車，并采集運行車輛荷載作用下的動力特性。圖16～圖17為車速10km/h和30km/h剎車曲線。

圖16 10km/h剎車曲線

圖17 30km/h剎車曲線

4.2.3 動撓度測試結果

4.2.3.1 跑車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h、20km/h的速度駛過，并采集運行車輛荷載作用下的動力特性。圖18～圖19為車速10km/h和20km/h跑車曲線。

圖18 10km/h跑車曲線

圖19 20km/h跑車曲線

4.2.3.2 剎車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h和30km/h的速度駛至測試截面進行剎車，并采集運行車輛荷載作用下的動力特性。圖20～圖21為車速10km/h和30km/h剎車曲線。

圖20 10km/h剎車曲線

圖21 30km/h剎車曲線

4.2.4 自振特性測試結果

4.2.4.1 信號采集與分析

采用連續采樣方式在自然環境激勵作用下采集拾震器的速度響應信號，每通道的采樣率設為：100Hz，采樣時間一般每個批次尺寸約15～20min。

通過時域平均、頻域濾波等方法對信號去噪，利用收集信號的互譜、自功率譜、相干函數識別橋梁豎向振動的前三階模態參數。該橋理論及實測振型見圖22～圖27所示。

圖22 理論一階頻率及振型（f1=0.892Hz）

圖23 實測一階頻率及（f1=1.172Hz）

圖24 理論二階頻率及振型（f2=1.030Hz）

圖25 實測二階頻率及振型（f2=1.953Hz）

圖26 理論三階頻率及振型（f3=2.108Hz）

圖27 實測三階頻率及（f3=2.832Hz）

根據實測結果與理論計算對比結果，橋梁前三階理論自振頻率均小于實測自振頻率，說明橋梁結構各部件整體性能和技術狀況較好。

5 靜動載試驗問題與建議

根據上述靜動載試驗結論可知，理論計算模型與試驗結果相結合，能夠較好地反映結構現有的技術狀態，尤其是墩塔梁固結的斜拉橋，基于有限元分析相對準確，但是誤差還是存在，在工程實際運用中，仿真分析又顯得繁瑣與不簡便，因此從數據的貼合度與精確性上來說，滿足工程使用。

筆者下一步嘗試基于構件分析該斜拉橋數據分析，與實際檢測數據以及基于桿系單元分析的結果進行比較，在滿足工程實用與理論精確的臨界點尋求和諧統一。