某預應力砼單塔三跨雙索面斜拉橋荷載試驗與評定

王翔

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

1 工程概況

某預應力砼單塔雙索面斜拉橋，主橋橋跨布置為(56+94+180) m。主橋采用H形砼橋塔，為塔梁固結體系，橋塔處固結，輔助墩、過渡墩頂設縱向、雙向活動支座。主塔塔身由塔座、下塔柱、下塔柱橫梁、中塔柱、上塔柱、上塔柱橫梁等組成。引橋為簡支體系，先簡支后橋面連續。每側橋面布置52根斜拉索，全橋共104根。

2 橋梁結構計算

采用橋梁分析軟件MIDAS/Civil建立該獨塔雙索面預應力砼斜拉橋有限元模型(見圖1)，通過控制截面試驗數據與理論計算數據對比分析，根據《公路橋梁荷載試驗規程》對橋梁承載能力及工作狀態進行評價。

圖1 全橋MIDAS/Civil計算模型

通過軟件計算試驗荷載作用下各工況試驗彎矩，并與控制值比較，獲得試驗荷載效率(見表1)。在滿足試驗要求的前提下盡可能減少加載量，適當合并加載工況。采用單車總重P=350 kN的車輛加載，荷載試驗控制截面布置見圖2，荷載效率取值為0.85～1.05。

表1 荷載試驗控制截面荷載效率

圖2 荷載試驗控制截面位置示意圖(單位：m)

3 橋梁靜載試驗分析

3.1 撓度

撓度測點沿試驗橋跨兩側的支點位置、1/4位置和跨中位置布置，主跨測點在1/8位置和控制截面加密布置(見圖3)。

圖3 撓度測點布置(單位：m)

控制截面實測撓度與理論計算撓度見表2。其中校驗系數η=Se/Ss，相對殘余ΔSp=Sp/St×100%。

表2 實測撓度與理論計算撓度比較

由表2可知：A截面最大正彎矩中載、偏載實測撓跨比分別為0.010 15/94=1.08×10-4、0.014 36/94=1.53×10-4(見圖4、圖5)，D截面最大撓度中載、偏載實測撓跨比分別為0.063 49/180=3.53×10-4、0.073 25/180=4.07×10-4，均小于1/500=2.0×10-3，滿足規范要求。

圖4 A截面實測撓度與理論計算撓度比較

圖5 D截面實測撓度與理論計算撓度比較

3.2 應變

在A、B、C截面布設18個應變測點，E截面布設20個應變測點，塔腳布設20個應變測點(見圖6、圖7)，測試各截面的應變，結果見表3。

圖6 主梁應變測點布置(單位：cm)

圖7 塔腳應變測點布置(單位：cm)

由表3可知：除B截面最大正彎矩偏載工況外，其他截面工況下應變效驗系數均滿足規范中預應力砼橋應變校驗系數為0.60～0.90、相對殘余應變≤20%的要求。B截面最大正彎矩偏載截面底板彈性應變均值Se為13.7 με，理論應變Ss為23.9 με，應變校驗系數η=Se/Ss=0.573<0.60～0.90，不滿足要求；最大應變均值St為15.7 με，對應殘余應變Sp為2.0 με，相對殘余應變ΔSp=Sp/St×100%=12.7%≤20%，滿足要求。B截面最大正彎矩偏載應變見圖8。

圖8 B截面實測最大應變與理論計算應變比較

表3 實測應變與理論計算應變比較

如圖9所示，擬合中性軸高度為172.40 cm，與理論計算值209.00 cm的相對誤差為17.51%，實測擬合中性軸高度比理論計算中心軸高度低；最大試驗荷載作用下，實測應變沿截面高度呈線性變化，線性相關系數r為0.978 3，符合平截面假定(n=4，置信度大于95%)。

圖9 最大試驗荷載作用下實測應變沿截面高度的分布

3.3 主塔塔頂、主梁梁端水平位移

在主塔塔頂布置位移測點T1、T2，并安裝一個棱鏡，采用徠卡TM50全站儀觀測塔頂位移。主梁梁端布置水平位移測點N1、N2，采用百分表測量梁端位移(見圖10)。試驗荷載作用下塔頂實測水平位移見表4，主梁梁端實測水平位移見表5。

圖10 主塔塔頂、主梁梁端水平位移測點布置

表4 塔頂實測水平位移與理論計算位移比較

表5 主梁梁端實測水平位移與理論計算位移比較

由表4可知：塔頂水平位移測點T1、T2的實測彈性變形均值Se為20.59 mm，對應理論計算變形Ss為22.44 mm，校驗系數η=Se/Ss=0.917，滿足撓度校驗系數為0.70～1.00的要求；實測最大水平位移均值St為20.00 mm，對應殘余撓度Sp為-0.59 mm，相對殘余撓度ΔSp=Sp/St×100%=-3.0%≤20%，滿足要求。

由表5可知：試驗工況下主梁梁端M截面無顯著縱向位移。

3.4 最大索力

測試主跨P16～P18拉索(位于第11跨)的索力，左右各3根。在拉索上安裝索力傳感器，采用振動法測試試驗荷載作用下索力增量，并與MIDAS/Civil計算索力增量進行對比。實測索力增量與計算索力增量見表6，最大索力工況安全系數見表7。

表6 實測索力增量與理論計算索力增量比較

表7 最大索力工況安全系數

從表7可看出：最大試驗荷載作用下，Z-P17、Y-P17拉索的索力增量略大于理論值(拉索實測索力的安全系數大于2.6)，其余拉索的索力增量符合規范要求。

4 橋梁動載試驗

4.1 脈動試驗

該橋為直橋，橋梁以豎向振動為主。全橋共布置26個測點(包括1個參考點)，分9批次進行振動信號采集。拾振器盡量避免布置在理論計算振動的節點位置。主橋振動測試結果見表8，振型見圖11。

表8 主橋結構自振頻率及振型測試結果

4.2 受迫振動試驗

(1) 無障礙行車試驗。采用2輛約35 t的重車勻速并排通過橋面，利用跨中布置的振動測點對結構振動響應進行測試。根據現場條件，采用10～50 km/h的行駛速度進行測試。不同速度下沖擊系數見表9。由表9可知：在10～50 km/h行車速度下，第11跨實測沖擊系數均小于理論沖擊系數，結構沖擊效應無明顯異常。

表9 無障礙行車時不同行車速度下第11跨沖擊系數

(2) 有障礙行車試驗。采用弓形板模擬橋面坑洼進行有障礙行車試驗。采用2輛約35 t的重車勻速并排同步越過橋面測試截面7 cm高的弓形板，利用跨中布置的振動測點對結構振動響應進行測試。采用10～30 km/h的行駛速度進行測試。不同速度下沖擊系數見表10。由表10可知：第11跨在10～30 km/h有障礙行車試驗中的最大沖擊系數為0.042，大于無障礙行車試驗的0.025，說明橋面坑槽、不平順等會加大車輛對橋梁的沖擊作用。

表10 有障礙行車時不同行車速度下第11跨沖擊系數

5 結論

(1) 該橋在靜載試驗各主要控制工況下的校驗系數及殘余變形、主塔塔頂水平位移、索力增量等均滿足規范要求，試驗橋跨工作狀況良好，主要受力構件處于彈性工作狀態。

(2) 在試驗荷載作用下，試驗橋跨實測振型與理論計算振型基本相符，實測頻率大于理論頻率，結構實際剛度大于理論剛度；實測沖擊系數小于理論沖擊系數，橋面平整度良好，橋跨結構在受力時抵抗彈性變形的能力強。

(3) 該橋在荷載作用下結構穩定，受力合理，工作狀況正常，承載能力滿足設計荷載要求。