大跨徑混凝土斜拉橋荷載試驗研究

熊海濤，劉志東，胡友強，宋春霞

(1.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088；2.北京公科固橋技術有限公司，北京 100088；3.廣東省路橋建設發展有限公司路達分公司，廣東 梅州 514779； 4.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

混凝土斜拉橋由于具有重量及剛度較大、抗風能力強及成本造價低的優勢，在中等大跨徑橋梁中的應用逐漸增多。成橋后對斜拉橋實施靜力和動力荷載試驗是了解大橋實際受力狀況和承載性能的最直接最有效的方法[1-17]。近年來隨著斜拉橋建設應用的不斷增多，斜拉橋荷載試驗技術日趨完善。劉旭政等[18]對斜拉橋荷載試驗優化進行了研究；肖明葵等[19]對某多塔斜拉橋荷載試驗情況進行了分析研究，并以此試驗結果提出了合理的拉索布置方案；王偉等[20]給出了某四塔五跨單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋荷載試驗優化方案。雖然斜拉橋荷載試驗的相關報道較多，但不同類型、不同跨度的斜拉橋均有其自身的受力特點和變形特征。本研究以某主跨320 m的混凝土斜拉橋為例，通過對其有限元建模、測點布置、測試方法、方案優化等進行詳細介紹并對結果進行詳細分析和研究，從而對該橋的承載能力和受力狀態進行了有效評價，為該橋后續管養提供數據支撐。

1 橋梁概況

本橋主橋為(37+103+320+103+37) m預應力混凝土斜拉橋，采用預應力混凝土分離式邊箱斷面，箱梁全寬 3 290 cm，邊跨現澆段采用單箱三室斷面。主梁頂板設置 1.5%的雙向橫坡，底板水平設置。主梁從索塔處開始分塊，0#塊長14 m。主梁標準塊件長度為8 m，標準節段重約516 t。主梁采用預應力混凝土結構，按全預應力混凝土構件設計。索塔采用雙柱式變截面“H”形索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及橫梁組成，塔高107.5 m，塔柱及橫梁采用空心薄壁截面。其中上塔柱為斜拉索錨固區，索塔斜拉索錨固采用鋼錨梁，為設置鋼錨梁需要，在順橋向塔壁內側設置牛腿。同時在上塔柱錨固區設置U形預應力束對塔壁進行加強，以平衡兩側索力不平衡時作用在索塔上的水平力。大橋橋跨布置如圖1所示。

2 荷載試驗方案

2.1 有限元建模計算

采用有限元程序MIDAS建立空間模型進行模態分析，并對靜力計算結果進行校核，全橋共建立700個節點，661個單元，如圖2所示。本次建立空間干系模型，模型考慮了支座、輔助墩以及樁基的影響，樁基取設計樁長，底端采用固結。承臺、橋墩、主塔、主梁采用單主梁梁單元模擬，單元長度2～4.5 m，其中主梁單元節點與斜拉索端部采用剛性連接，斜拉橋采用桁架單元模擬，主梁、主塔、墩柱橫截面均采用設計截面，其抗彎、抗剪和抗扭折減均由軟件按設計要求自動折減。建模時采用以下假設：

圖1 橋跨布置示意圖 (單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of bridge span layout (unit: cm)

圖2 主橋MIDAS有限元計算模型Fig.2 MIDAS finite element calculation model of main bridge

(1)混凝土截面變形符合平截面的假設。

(2)混凝土、預應力筋為彈性材料，混凝土、預應力筋采用標準材料，其強度、彈性模量為固定值。

(3)不計橋面鋪裝層、護欄的剛度，其質量按照二期恒載考慮。

(4)邊支座及輔助墩支座按一般支撐設置。

(5)塔梁結合部支座按照彈性連接設置，豎向剛度設置為大值,使得豎向剛度近似為剛性，水平向放開。按照以上原則建模，計算斜拉橋在設計荷載作用下的內力、位移及應力、應變等，將控制截面效應的最大值作為控制值。

2.2 測試斷面與加載項目

由于本橋為左右對稱結構，為方便測點布置及加載，測試斷面主要布置于大橋的一側，根據內力計算結果選取如圖3所示的邊跨最大正彎矩A～F共6個截面。測試項目分別為主梁梁端截面(A截面)最大縱向漂移、主梁第二跨跨中截面(B截面)最大正彎矩、主梁主塔支點截面(D截面)最大負彎、中跨J19#拉索最大索力、主塔根部(C截面)最大彎矩、主塔塔頂(E點)最大縱向位移、主梁中跨L/2截面(F截面)最大撓度和彎矩效應。主梁控制截面位置如圖3所示。

圖3 主橋加載控制截面(部位)布置(單位：cm)Fig.3 Layout of loading control section (position) of main bridge (unit: cm)

2.3 靜力加載方案與優化

本次大橋荷載試驗的加載車輛和加載工況均較多，最大加載車輛數共36輛，共14個加載項目，若各項目逐一加載，荷載試驗成本較大。為提高荷載試驗效率，本次對試驗加載項目進行了合并，盡可能以同一工況測試多個加載項目。工況合并原則，一是合并后各測試項目荷載試驗效率滿足式(1)的要求；二是以保證關鍵測試項目荷載試驗效率為主。通過影響線布載分析，中跨J19#拉索最大索力、主塔根部最大彎矩、主梁中跨L/2截面最大撓度、主梁梁端截面最大縱向漂移、主塔塔頂最大縱向位移可合并為一個工況，合并后本次試驗共設8個工況，荷載效率在0.91～1.02之間。圖4為主梁中跨最大索力增量、塔頂最大偏位、主塔最大彎矩、主梁中跨最大撓度、主梁最大縱向漂移測試工況加載車輛縱向布置圖。

飯后無事，誰也不理誰，各自玩著手機。王幸福的手機不是智能的，沒法玩。他把手機放進口袋里，仰望天花板，睜著眼，什么也不干。這讓我佩服，一個人，居然能什么也不干，就那么靜靜地睜眼躺著。

(1)

式中,η為荷載試驗效率;Sstat為試驗荷載作用下的效應的計算值;S為設計荷載標準值產生的效應的計算值；μ為沖擊系數。

圖4 多測試項目合并后縱向加載布置 (單位：cm)Fig.4 Longitudinal loading layout after merging multiple test items (unit: cm)

2.4 測點布置及測試方法

主梁應變測點布置于次邊跨、中跨跨中及支點截面，共3個斷面，每斷面布置。每截面應變測點布置如圖5所示,采用在表面粘貼電阻應變片并匹配DH3821數據采集分析系統進行測量。本次荷載試驗應變控制截面理論應變值最大為205 με，混凝土應變片選擇標距為3 mm×100 mm、阻值為120 Ω的應變片，可以滿足試驗需要。通過連接補償片，利用應變數據采集系統中的溫度補償功能，在應力測試過程中對采集數據進行溫度補償修正。由于溫度變化會對大橋部分截面的內力產生較大影響，同時也影響測試元件的準確性，因此選擇在夜間溫度梯度變化較小的時段進行試驗。箱梁橫截面應變測點布置如圖6所示。

圖5 DH3821應變測試分析系統Fig.5 DH3821 strain test analysis system

圖6 控制截面應變測點布置 (單位：cm)Fig.6 Layout of strain measuring points on control section (unit: cm)

主梁撓度測點主要布設在1，2，4，5跨4分點、中跨16分點截面上下游邊緣及中間護欄附近，如圖7所示。本次撓度測試采用Trimble DINI 03電子水準儀(標稱精度0.3 mm/km)及3 m銦瓦條形碼水準標尺按二等水準施測綱要進行測量，對測量數據進行后處理，達到毫米級精度。

圖7 主梁豎向變形測點縱向布置Fig.7 Longitudinal layout of vertical deformation measuring points on main beam

本次拉索索力增量測試選用索力最大的J19#索，采用頻率法進行索力測試，該法是一種間接方法，有快速、方便、可重復測試的特點且精確度較高。對于受張拉的斜拉索，當忽略垂度影響時，其無阻尼的自振微分方程為：

(2)

式中，x為沿索方向橫坐標；y為拉索在t點垂直于索向的撓度，t為時間；EI為截面抗彎剛度；F為拉索索力；m為索單位長度的質量。當假定拉索索力沿索長度方向均勻分布，不隨時間變化時，且假定拉索的兩端交接，則式(1)的解為：

(3)

式中，n為拉索的自振頻率的階數；fn為拉索的第n階自振頻率；l為拉索的自由長度。

2.5 動載試驗

主梁振動測點選取邊跨的跨中、次邊跨的4分點截面、主跨的8分點截面，在橋面上游側橫向各布置水平拾振器，在橋面上、下游側均布置豎向拾振器。全橋橋面共計19個動力特性測試截面，共計59個測點。主橋振動特性測點如圖8所示。

圖8 主橋動力特性測試截面布置Fig.8 Layout of sections for dynamic characteristic test of main bridge

3 荷載試驗結果分析與判定

3.1 應變測試結果

本次試驗主梁共選取3個測試截面進行應變測試，B截面為次邊跨跨中截面，D截面為柱墩墩頂截面，F截面為主跨跨中截面，各截面測試結果見表1。各測試截面應變校驗系數介于0.56～0.90之間，表明測試截面結構強度滿足要求，應力狀態正常。卸載后，相對殘余應變介于-19%～12%之間，滿足小于20%的規定，表明各測試截面應變均基本恢復。圖9～圖11為各測試截面在中載和偏載作用下的各測點測試結果圖，從圖中可知，箱梁腹板附近測點應變值均略高于底板或頂板中間位置測點應變值，中載時兩者差值在15%以內，說明雖然本橋截面寬度較大，但因為截面剛度較大，截面變形仍基本滿足平截面假定。圖12為中跨跨中F截面底板測點，由圖中可知，應變增長與加載等級增長基本呈線性增長，說明截面彈性狀態良好。

表1 箱梁各測試截面應變測試結果匯總Tab.1 Summary of strain test results of each test section on box girder

圖9 第二邊跨跨中B截面偏載底板應變實測值Fig.9 Measured strain values of eccentric loaded bottom plate of section B in middle of 2nd span

圖10 柱墩墩頂D截面頂板應變實測值Fig.10 Measured strain values of roof plate of section D at top of column pier

圖11 主跨跨中F截面底板應變實測值Fig.11 Measured strain values of bottom plate of section F in middle of main span

圖12 中跨跨中F截面底板測點Fig.12 Measuring points of bottom plate of section F in middle of mid-span

3.2 撓度測試結果

本次試驗主梁共選取2個測試截面進行撓度測試，各測試截面撓度校驗系數介于0.71～0.87之間，表明測試截面結構剛度滿足要求，結構變形狀態正常。卸載后，相對殘余變位介于1.1%～3.5%之間，滿足小于20%的規定，表明測試截面梁體變形基本恢復，在加載過程中截面呈彈性工作狀態。各截面撓度校驗系數和相對殘余變位匯總見表2。圖13為F截面上游側測點在工況8偏載作用下撓度隨加載等級變化曲線，從圖中可知，箱梁變形與加載等級保持了良好的線性關系，說明結構彈性狀態較好。工況7、工況8在第3級加載時，數據偏小，通過分析加載等級可知，第3，4級共加載6輛車，第3級加載的3輛車與測點不在同側，因此第3級加載時，主梁豎向撓度略小，跨中截面撓度與加載等級總體上保持線性關系。圖14為工況7全橋撓曲線實測值與理論值對比圖，從圖中可知，試驗荷載下全橋實測撓曲線與理論撓曲線變化趨勢一致，表明撓度沿橋軸線分布規律符合結構受力特點。

表2 箱梁各測試截面撓度測試結果匯總Tab.2 Summary of deflection test result of each test section on box girder

圖13 F截面上游側測點各級加載實測撓度值Fig.13 Measured deflection values of measuring points in upstream of section F under loading levels

圖14 全橋撓曲線實測值與理論值對比Fig.14 Comparison between measured value and theoretical value of deflection curves of whole bridge

3.3 塔頂縱向偏位

圖15 F塔頂偏位與加載等級曲線Fig.15 Curve of top deflection of pylon F and load grade

8#墩塔頂測試截面在工況5(中載)和工況6(偏載)作用下，測點最大縱向偏位值為35.2 mm和37.5 mm。圖15為工況6在荷載作用下塔頂偏位與加載等級曲線，從圖中可知，主塔偏位與加載等級基本呈線性關系，表明主塔剛度滿足要求，結構變形狀態正常。卸載后，相對殘余變形介于0.2%～1.9%之間，滿足小于20%的規定，表明測試截面E變形基本恢復，在加載過程中截面呈彈性工作狀態。中載與偏載測試結果較為接近，說明偏載作用對塔頂縱向偏位影響較小。

3.4 斜拉索

工況8為索力增量測試工況，實測索力增量與理論索力增量對比如圖16所示。本次試驗共測試了6個工況作用下的斜拉索索力增量，滿載實測索力增量校驗系數介于0.72～0.91之間，卸載后的索力增量相對殘余介于0.01%～9.63%之間，說明拉索索力在試驗過程中變化正常。由測試結果可知，測試值與理論值各索索力變化趨勢一致，均為上游側J19′#索索力最大，說明索力測試結果較為準確。

圖16 工況8索力實測值與理論值對比Fig.16 Comparison between measured values and theoretical values of cable force in working condition 8

3.5 脈動試驗測試結果

本橋實測各階頻率大于計算頻率。表3列出了本次試驗前5階振型自振頻率和阻尼比測試值與計算值。各階理論振型與實測振型對比如圖17所示。

表3 自振特性參數實測結果Tab.3 Measured natural vibration characteristics parameters

圖17 理論振型與實測振型對比Fig.17 Comparison between theoretical vibration modes and measured vibration modes

4 結論

在試驗加載下，主梁各個測試截面的測試應變、撓度、主塔位移及索力等主要測試內容的測試值在加載過程中與加載量基本呈線性關系，應變校驗系數介于0.56～0.90之間，位移校驗系數介于0.71～0.87之間，相對殘余變位和相對殘余應變均在20%以內，說明結構彈性性能良好。索力增量校驗系數介于0.72～0.91之間，卸載后的索力增量相對殘余介于0.01%～9.63%之間，拉索索力在試驗過程中變化正常。脈動試驗結果表明，本橋實測各階頻率大于計算頻率，結構整體剛度良好；結構阻尼比測試結果介于0.022～0.048之間，具有一定的離散性。總體來說，本橋不僅滿足設計要求且安全儲備較為合理。

斜拉橋荷載試驗是一項非常復雜而細致的工作，由于測試項目多，需要對加載工況進行有效優化，既要保證測試工作的完備性又要兼顧荷載試驗效率要求和測試效率，并盡可能壓縮測試時間和節約成本，因此需要對待測項目的影響線進行對比分析，并通過試算得到最優的荷載工況。對檢測結果分析也需細致入微，測試數據與理論值偏差較大時，需要仔細分析數據偏差產生的原因，對偏差數據既不可盲目剔除也不可盲目采用，需要結合加載情況、測點布置等情況加以綜合分析。需要對斜拉橋建模計算、加載項目、測點布設位置、加載過程等有全面了解，并對測試結果進行深入分析，才能對橋梁的受力狀態、承載性能有全面的了解，從而在此基礎上對橋梁承載能力做出正確評價。