基于靜載試驗的大跨度獨塔斜拉橋承載能力評定

義啟貴

(廣西壯族自治區桂東公路發展中心，廣西 梧州 543000)

0 引 言

21世紀以來，我國交通運輸行業飛速發展，橋梁工程逐漸深入到建設條件差的高原或山區中，不僅要跨越江河，也要橫跨山谷；因此大跨度橋梁的建設越來越常見，而獨塔斜拉橋的建設，是能夠彌補連續箱梁跨中下撓組合結構的不足之處，獨塔斜拉橋關鍵在于獨塔的設計參數和標準來扣住拉索，從而可以實現更大的跨越效果。目前，國內外學者對大跨度斜拉橋的研究比較多，主要研究調整索力和主塔的承載力或截面形式，關于承載能力評定方法的研究較少[1-3]。尹波[4]就斜拉橋的荷載試驗進行了研究，以成橋后的工作狀態與設計時的線型進行對比，判斷該橋是否符合設計要求，通過靜載試驗、脈動試驗及跑車試驗得出該橋滿足靜動力承載要求；陳思遠[5]對單塔單索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋進行靜力荷載試驗及動力荷載試驗，通過分析兩種試驗結果與結構實測結果，得出該橋滿足承載能力要求；賴錦興對雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋進行了靜動載試驗研究，驗證了該橋滿足承載要求；江曉鳴[6]認為橋梁的靜力試驗和動力試驗能夠充分真實地反應橋梁正常使用和正常運營的工作狀態，通過對某新建的獨塔混合梁斜拉橋做靜力試驗和動力試驗，可以推出此方法確實可以評定橋梁的工作狀況和承載能力。相對殘余應變作為結構考慮承載能力和變形要求的重要參數，針對兩種不同工況下的相對殘余應變對比，進一步驗證該橋滿足承載力和變形要求。

1 工程概況與有限元建模

以湘西州保靖縣酉水三橋為研究背景，該橋主跨101 m，邊跨196 m，次邊跨62 m，橋梁總長為376 m，邊跨設有輔助墩，橋面寬31.5 m，主塔與扣鎖固結在一起，有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型圖

2 靜力荷載試驗

2.1 試驗內容

現場試驗人員通過肉眼觀察橋梁結構表面是否產生裂縫，是否有較為明顯的損壞痕跡，靜載試驗的主要內容是通過測量儀器和回彈儀等一些規范工具對梁體的一些試驗參數進行測試。

2.2 測點布置

測點的選取應通過計算和規范給出，得出橋梁結構的最不利位置或應力內力相對較大的地方以及較薄弱的截面和內力形式較為復雜的截面。選取結構應力水平較高和較不利截面，以此來判斷該結構是否能夠抵擋住特殊情況下的受力，通過選擇常規截面驗證橋梁在一般使用條件下是否滿足使用要求。通過對橋梁結構進行加載后，測出計算書上已測得的數據，再和理論計算出的數據進行比對。全橋選取測試部分的編號見表1。

2.3 試驗加載

通過荷載計算出的三軸載重車的加載方式進行加載。試驗加載使用的汽車給到橋梁的荷載模擬設計標準荷載，在合理范圍內對橋梁結構進行加載，所加荷載不至于讓結構產生破壞。試驗前會對加載車進行配重并對其進行編號，滿足要求即可到荷載試驗的現場指定加載車輛的施荷位置。

表1 測試斷面布設圖

2.4 試驗荷載工況

根據理論計算，選取兩種主要影響橋梁結構承載力的兩種工況來進行荷載試驗，第一種工況為對稱布置荷載，根據跨中計算的最大正彎矩和豎向撓度進行；第二種工況為偏載分布，根據中跨計算的最大正彎矩進行；第三種工況為根據主梁最大負彎矩對稱分布荷載；并且每種荷載工況應滿足荷載效率系數的規定，在0.85～1.05之間。

3 結果的測試及分析

3.1 肉眼觀測裂縫

對需要進行荷載試驗的橋梁找到對應的標準，并采用肉眼觀察法進行外觀質量檢測，在此次荷載試驗中外觀檢測結果合格。

3.2 應變計測試應變結果及分析

在做荷載試驗之前，應在各個測試截面或測點提前貼好應變片，在荷載試驗過程中應確保應變片貼的牢固，不能在試驗過程中導致應變片掉落，而使應變測試結果不準確。在確保上述環節順利完成后，通過加載車輛駛入橋梁對結構進行加載以后觀察應變計的讀數，可知應變測試結果如表2、圖2、表3、圖3、表4和圖4所示。

表2 各測點在第一種工況加載作用下的應變

表3 各測點在第二種工況加載作用下的應變

表4 各測點在第三種工況加載作用下的應變

圖2 工況1應變測點分析結果對比圖

圖3 工況2應變測點分析結果對比圖

圖4 工況3應變測點分析結果對比圖

根據上述圖表可知： 結構在荷載試驗計算書中，所計算的三軸加載車完全加載后，結構會產生內部變形，內部之間會有對應的應力產生，最大的應變值為236 με，最小的應變值為-411 με，而實際測得的應變值小于有限元模型荷載試驗計算書上的應變值，所測測點中應變校核系數上下浮動較大，最小為0.60，最大為0.83，均滿足不大于1的要求；在完全將加載車卸下之后，結構產生了殘余應變，材料內部相對原始殘余應變最大為7.14%，滿足不大于20%的要求，說明該梁在整個加載過程并且卸載之后一直滿足設計對其所需的要求。

3.3 測得撓度結果并分析

在測得現場所布測點的撓度值后，要對所測撓度值進行修正，才能得出最后的現場撓度實際測得值，再求出各測點在荷載試驗下的撓度值，測試結果如表5、表6、表7和圖5、圖6、圖7所示。

表5 各測點在第一種工況加載作用下的位移

表6 各測點在第二種工況加載作用下的位移

表7 各測點在第三種工況加載作用下的位移

圖5 工況1測點結果對比圖

圖6 工況2測點結果對比圖

圖7 工況3測點結果對比圖

由圖表可知:撓度理論計算最大值為129.8 mm，最小值為80.8 mm，最大值和最小值同時發生在工況二荷載作用下的情況，在理論計算中，工況二荷載作用下會導致該結構的內部變形較為明顯，通過實際撓度測得值可知，撓度實測最大值92.1 mm，撓度實測最小值66.7 mm，可以印證理論計算中判斷的該結構內部會存在一定明顯的變形；將荷載試驗指定車輛加載到橋梁結構上時，實際測得的撓度值小于有限元軟件計算荷載試驗書上的撓度值，說明該結構在載荷作用下結構處于安全工作狀態，在日后的正常運營條件下，也能滿足正常設計要求和使用年限；所測測點中撓度校核系數分布較為集中，在0.70左右波動，最小為0.69，最大達0.80，這兩種荷載工況作用下撓度校核系數最大值為0.80，均滿足不大于1的要求；在完全卸下加載車輛以后，橋梁結構會有些許殘留應變，結構在巨大荷載的強烈加持下，會有適當的位移和變形無法恢復原始的位置，在一定的合理允許范圍內，可以存在一定的最大殘余值，其材料內部相對原始最大殘余撓度為2.71%，滿足不大于20%的要求，說明梁板在荷載試驗的全過程滿足合理使用要求。

3.4 應變和撓度相對殘余應變對比分析

在荷載試驗中，對結構進行加載會產生變形，結構內部會產生作用力與反作用力，會有一定的撓度，相對應的會產生應變。當結構上的載荷卸去以后，結構會隨著載荷的移置，變形也會慢慢恢復，若結構能完全恢復加載之前的狀態，結構便是彈性工作狀態，說明計算所得的加載方式是符合結構設計允許承受范圍之內的，若結構不能完全恢復加載之前的狀態，結構處于彈塑性狀態，會有一定的殘余應變，其對應會有相對殘余應變的產生，相對殘余應變的大小也是結構所需考慮的一個重要指標。結合應變和撓度的理論值與測試值，取兩種主要荷載工況，考慮不同工況組合作用下，對比撓度和應變的相對殘余應變值如圖8、圖9所示。

圖8 不同工況下應變相對殘余應變對比圖

圖9 不同工況下撓度相對殘余應變對比圖

結合不同工況下應變和撓度相對殘余應變對比圖，可知：應變和撓度的相對殘余應變在兩種工況下相差不大，兩種工況下撓度相對殘余應變最小為1.76%，和最大相對殘余應變相差0.95%，撓度相對殘余應變變化幅度較小，可知不同測點所處位置的變形存在一定連續性，該結構內部是一個有機整體；兩種工況下應變相對殘余應變最小為0，最大為7.14%，相對殘余應變變化較為明顯，說明該橋內部受力可能存在不均勻的地方，但兩者差值滿足設計要求；由圖表可知，最大相對殘余應變為7.14%和2.71%，可知這兩者的最大相對殘余應變均滿足規范和設計要求，因此該橋在理論計算的加載中和卸載后均能滿足該橋的正常使用要求，結構主要構件和受力部位處于彈性工作狀態，是一種積極的受力狀態。

4 結 論

以理論實際相結合為出發點，建立有限元模型，通過模擬兩種工況來對該橋進行靜載試驗，通過肉眼觀測法橋梁結構是否產生裂縫，通過有限元軟件計算出結構的最不利荷載，根據計算結果算出加載車輛的類型和數量，對結構施以給定的荷載得出結構的應力及撓度，去工程現場用全站儀和回彈儀等一些儀器測量理論計算的參數，通過在規范內允許的范圍比對兩者數據，并對比不同工況下應變和撓度的相對殘余應變，可知該結構的內部變形存在一定連續性，并且結構內部受力存在不均勻的地方，但整體而言滿足結構受力要求，該橋主要構件和受力部位處于彈性工作狀態，得出該橋的承載能力及穩定性能均滿足設計要求。在以后同類型的荷載試驗中，可適當考慮相對殘余應變對結構的評判要求，在該橋日后的運營中應多注意橋梁內部的受力狀況并定期定量進行檢測和養護。