自錨式懸索橋成橋荷載檢測(cè)分析

彭及躍

(東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 東莞 523001)

0 引言

自錨式懸索橋是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)特殊復(fù)雜，跨度較大，施工和成橋時(shí)受力狀況比較難控制和檢測(cè)。本文以東江南支流港灣大橋（沙田大橋）為例，對(duì)自錨式懸索橋的成橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1 自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)分析

1.1 自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)目的

1.1.1 直接了解該橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)受力狀況，判斷在荷載作用下的實(shí)際承載能力，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合荷載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)大橋在設(shè)計(jì)使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能。

1.1.2 獲得該橋在荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等橋梁特征參數(shù)，并驗(yàn)證大橋在抗風(fēng)、抗震荷載作用下的實(shí)際工作狀況。

1.1.3 為橋梁在竣工驗(yàn)收過(guò)程中提供重要的橋梁數(shù)據(jù)，并作為橋梁的基本信息和數(shù)據(jù)檔案，為橋梁使用階段的安全監(jiān)測(cè)和健康運(yùn)營(yíng)提供充足的技術(shù)保障。

1.1.4 驗(yàn)算該類(lèi)型特殊橋梁的技術(shù)規(guī)范，并為后續(xù)其他同類(lèi)橋梁技術(shù)提供數(shù)據(jù)參考。

1.2 自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)難點(diǎn)

1.2.1 此類(lèi)橋梁一般為特大橋，梁體結(jié)構(gòu)尺寸較大，試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)受環(huán)境溫度影響較大。溫差變化容易引起結(jié)構(gòu)變形，影響應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果。

1.2.2 由于橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨徑較長(zhǎng)、橋面板寬大，加載時(shí)容易因?yàn)楹奢d集中引起橋面板局部應(yīng)力過(guò)大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)度變形，出現(xiàn)異常情況[1]。

1.2.3 此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大，試驗(yàn)檢測(cè)加載時(shí)噸位大、車(chē)輛多，跨中產(chǎn)生的豎向位移較大，結(jié)構(gòu)變形過(guò)大容易造成損傷、殘余量過(guò)大。

1.2.4 為準(zhǔn)確反映此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形和應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)量點(diǎn)位布置較多，存在一定困難。

1.3 自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)注意事項(xiàng)

1.3.1 橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況和成橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)方案應(yīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)認(rèn)真的計(jì)算分析，并經(jīng)過(guò)專(zhuān)家反復(fù)論證后方可施行。

1.3.2 為避免溫度影響，應(yīng)選擇溫度較低的時(shí)段做試驗(yàn)，比如夜晚。同時(shí)，在荷載試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)注意現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化。施工過(guò)程中積累的大量溫度影響資料，也可為荷載試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

1.3.3 為避免因荷載集中引起橋面板局部應(yīng)力過(guò)大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)度變形，以及因加載噸位大、車(chē)輛多使結(jié)構(gòu)變形過(guò)大而造成損傷，加載時(shí)每個(gè)工況應(yīng)分多級(jí)加載，詳細(xì)記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)真觀察結(jié)構(gòu)變形，實(shí)時(shí)判斷結(jié)構(gòu)反應(yīng)是否正常。

1.3.4 根據(jù)檢測(cè)方案進(jìn)行加載車(chē)輛的布置，并在各個(gè)關(guān)鍵截面點(diǎn)位布置測(cè)點(diǎn)，使試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形和應(yīng)力狀態(tài)[2]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）全長(zhǎng)2131.6m，主橋?yàn)?0+130+320+130+65=705m 的五跨雙塔鋼箱梁自錨式懸索橋，為目前國(guó)內(nèi)最大跨徑“先纜后梁”自錨式懸索橋。主梁采用扁平流線型加勁梁，正交異性板橋面，梁高3.5m，全寬38.5m。橋塔是由塔柱、橫梁組成的門(mén)式框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。

2.2 計(jì)算分析

采用Midas Civil 有限元軟件建立該懸索橋分析模型。此次荷載試驗(yàn)選用350kN 重的加載車(chē)輛，靜載分5 個(gè)工況。為滿足靜力荷載試驗(yàn)效率的要求，最大用車(chē)工況使用22 輛車(chē)加載。立面布置、橫斷面布置、計(jì)算模型和主要結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)圖1～圖6。

圖1 東江南支流港灣大橋立面布置圖

圖2 東江南支流港灣大橋主梁橫斷面布置圖

圖3 有限元分析模型

圖4 可變荷載作用下彎矩包絡(luò)圖（偏載）

圖5 可變荷載作用下彎矩包絡(luò)圖（中載）

圖6 一階振型圖（頻率H=0.397943）

2.3 試驗(yàn)檢測(cè)措施

2.3.1 在荷載試驗(yàn)理論分析過(guò)程中，選擇橋梁最不利工況進(jìn)行荷載試驗(yàn)，并應(yīng)用精密儀器準(zhǔn)確檢測(cè)橋梁的實(shí)際變形和應(yīng)力變化。

2.3.2 嚴(yán)格監(jiān)測(cè)試驗(yàn)全程，統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮和調(diào)度，正式加載試驗(yàn)前，用第一級(jí)加載試驗(yàn)車(chē)對(duì)橋梁加載跨進(jìn)行預(yù)加載，按結(jié)構(gòu)最不利受力特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)壓30min。預(yù)加載是為了使橋梁結(jié)構(gòu)能夠提前進(jìn)入彈性工作狀態(tài)，并能夠提前了解各類(lèi)儀器的使用情況，使整個(gè)檢測(cè)過(guò)程順利進(jìn)行[3]。

2.3.3 在加載過(guò)程中，進(jìn)行分級(jí)加載，對(duì)每級(jí)加載試驗(yàn)所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，用以判斷橋跨結(jié)構(gòu)在各級(jí)荷載下的反應(yīng)是否正常。同時(shí)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)查看了橋跨結(jié)構(gòu)的局部受力情況，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部荷載集中引起的橋面板局部應(yīng)力過(guò)大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)度變形，防止橋梁出現(xiàn)不正常損壞，影響橋梁的承載能力和正常使用。

2.3.4 試驗(yàn)過(guò)程中，安排專(zhuān)人監(jiān)測(cè)主要結(jié)構(gòu)有無(wú)異響、晃動(dòng)、傾覆和扭曲等異常現(xiàn)象。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）靜載試驗(yàn)各測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)的主要工況中，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.89～0.97 之間，撓度相對(duì)殘余最大值為3.8%，見(jiàn)表1 和圖7；應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.44～0.91 之間，應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為15.6%，見(jiàn)表2 和圖8。靜載試驗(yàn)工況中，各變形測(cè)試項(xiàng)目的實(shí)測(cè)值與理論值吻合良好，主纜、索塔、鋼主梁等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性應(yīng)力工作狀態(tài)，主纜、主桁實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)隽课闯霈F(xiàn)較大峰值，具有良好的安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)無(wú)異響、晃動(dòng)、傾覆和扭曲等異常現(xiàn)象。

表1 主梁控制截面豎向位移計(jì)算值 單位：mm

表2 主梁控制截面應(yīng)變計(jì)算值 單位：με

圖7 工況3 下主梁撓度實(shí)測(cè)值與理論值

圖8 工況4 主梁撓度實(shí)測(cè)值與理論值

圖9 工況1 下主梁應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值圖

圖10 工況4 主梁應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值

橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性參數(shù)（振動(dòng)頻率、振型及阻尼比）是大橋動(dòng)力學(xué)性能的決定因素之一，也是結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)的一種表征，采用有限元分析程序?qū)χ鳂虺蓸驙顟B(tài)的自振特性進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)前五階固有振動(dòng)的振型和頻率。橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可采用波形分析法得到，結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)宜采用試驗(yàn)過(guò)程中多次所測(cè)得結(jié)構(gòu)的平均值，且單次試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與平均值的偏差不應(yīng)超過(guò)±20%。多階自陣信號(hào)疊加的波形通常首先分離成單一頻率的自陣信號(hào)，再按照下面公式（1）計(jì)算阻尼參數(shù)[4]。

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）實(shí)測(cè)的前五階振型與理論前五階振型的振動(dòng)模型基本一致（見(jiàn)表3），受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)性能正常，表明該大橋?qū)嶋H主梁豎彎剛度與理論計(jì)算值吻合良好。實(shí)測(cè)鋼主梁及主塔1 階振型見(jiàn)圖11 和圖12。

表3 主橋前5 階成橋狀態(tài)的振型及頻率

圖11 實(shí)測(cè)鋼主梁一階振型圖（頻率=0.41Hz）

圖12 實(shí)測(cè)主塔一階振型圖（頻率=0.41Hz）

3 結(jié)語(yǔ)

本文以東江南支流港灣大橋(沙田大橋）為例，對(duì)自錨式懸索橋的成橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析。通過(guò)靜載試驗(yàn)與振動(dòng)特性的檢測(cè)，克服特殊橋型試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中的各種困難，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：東江南支流港灣大橋（沙田大橋）的整體受力滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)性能能夠滿足橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，并且具有足夠的安全儲(chǔ)備。橋梁在正常使用過(guò)程中具有足夠的安全性能和舒適性，能夠滿足在正常荷載作用下的使用要求，并通過(guò)此次檢測(cè)，為以后同類(lèi)橋梁檢測(cè)提供技術(shù)幫助。