某單索面斜拉橋承載能力評定

費(fèi) 文

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

我國交通行業(yè)在20世紀(jì)90年代開始蓬勃興起，到21世紀(jì)10年左右達(dá)到高峰，接下來公路橋梁的建設(shè)步伐會逐漸放緩。橋梁工作者的主要任務(wù)由設(shè)計(jì)、建造向養(yǎng)護(hù)、檢測、加固轉(zhuǎn)變，在役橋梁健康狀況及承載能力也受到更多重視。通過橋梁承載能力的評定，可以鑒定該橋是否具有原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工作性能，是否滿足目前及未來的交通需要，是否具有挖潛承載能力的可能，從而為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修、改造加固的決策提供有力的支持。

1 工程背景

某斜拉橋全長608.25 m，荷載等級為公路-Ⅰ級。橋梁跨徑組合75+150+75 m的雙塔獨(dú)柱式單索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋，橫斷面全寬32.6 m。橋梁結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)、梁墩分離體系。主梁采用抗風(fēng)性能很好的近似三角形斷面，單箱三室結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬32.5 m，箱梁底寬4 m，懸臂板長5 m，設(shè)雙向2%橫坡。主塔為雙柱式塔，橋面以上塔高52.8m，為鋼箱斷面，外形尺寸為3.4×7.984 m（底部），2.87×2.88 m（頂部），為保證主塔具有足夠的剛度，在腹板上設(shè)置一定數(shù)量的縱向加勁肋，且間距3 m左右設(shè)置橫隔板。斜拉索采用OVM250拉索體系，全橋共16對斜拉索，共64根，所有斜拉索均在梁端張拉[2]。主橋的立面布置如圖1所示。

2 模型建立

為對此橋在設(shè)計(jì)荷載下應(yīng)力、應(yīng)變及索力分配情況作出詳細(xì)了解，首先建立MIDAS有限元模型。本橋采用MIDAS 2010程序進(jìn)行建模分析，模型共建節(jié)點(diǎn)232個，205個單元其中桁架單元32個（模擬斜拉索），梁單元173個（模擬主梁及索塔）；邊界條件主要為：由于本橋?yàn)樗汗探Y(jié)，梁墩分離體系故在南北塔底均約束DZ、RX，為保證程序在運(yùn)算時矩陣不出現(xiàn)奇異矩陣在南塔柱約束DX、DY，斜拉索與主梁采用剛性連接。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如圖2。

圖2 計(jì)算模型

3 測試截面與試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分為六種工況，即：

a）工況一 邊跨最大正彎矩（撓度）測試工況，中載，測試斷面S1（在主梁邊跨距5號墩頂伸縮縫中心線28.125 m處）。

b）工況二 工況一偏載。

c）工況三 塔柱最大彎矩測試工況，中載，測試斷面S2（距6號墩塔底1.715 m處）。

d）工況四 主梁最大負(fù)彎矩測試工況，中載，測試斷面S3（主梁6號墩頂右側(cè)4.5 m處）。

e）工況五 中跨最大正彎矩（撓度）測試工況，中載，測試斷面S6（中跨跨中）。

f）工況六 工況五偏載。

表1 工況測試項(xiàng)目詳細(xì)說明表

4 靜載測試結(jié)果分析

4.1 主梁應(yīng)變測試結(jié)果分析

本次試驗(yàn)的應(yīng)變測試通過在測試斷面粘貼應(yīng)變片，測得混凝土表面應(yīng)變。考慮荷載橫向分布系數(shù)并按平面假定推算出截面上最大應(yīng)變值并與計(jì)算值比較。各工況控制截面測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值與理論值比較見表2。

表2 各工況主梁平均校驗(yàn)系數(shù)表

由表2中數(shù)據(jù)可見，工況一～工況六控制截面平均應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)絕大部分測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變均小于相應(yīng)的理論計(jì)算值；這表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力能滿足公路-Ⅰ級荷載使用要求，且有一定的安全儲備[3]；試驗(yàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測殘余應(yīng)變絕大部分均不大于20%，表明主橋結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性工作狀態(tài)；箱梁頂、底板橫向各個應(yīng)變測點(diǎn)應(yīng)變較為均勻。

4.2 主梁撓度及測試結(jié)果分析

控制截面測點(diǎn)撓度實(shí)測值與理論值比較，見表3。

表3 控制截面測點(diǎn)撓度及校驗(yàn)系數(shù)表

由表3中數(shù)據(jù)可見，工況一下主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)略大于1（撓度不為工況一的測量控制內(nèi)容，其撓度值較小，較小的測量誤差會引起校驗(yàn)系數(shù)的較大變化，工況控制為工況五和工況六）。其余各工況撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明主橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度能滿足公路-Ⅰ級荷載使用要求，且有一定的安全儲備；試驗(yàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測殘余撓度、偏位均不大于20%，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下尚處于彈性工作狀態(tài)。

4.3 索力測試結(jié)果分析

表4 索力測試及校驗(yàn)系數(shù)表

由表4數(shù)據(jù)可知，各個工況下實(shí)測索力值和理論索力值基本相同，表明結(jié)構(gòu)受力狀況和設(shè)計(jì)情況吻合較好；試驗(yàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測殘余索力均不大于20%，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下尚處于彈性工作狀態(tài)[4]。

5 動載試驗(yàn)及脈動試驗(yàn)分析

5.1 主橋脈動試驗(yàn)分析

全橋模態(tài)測點(diǎn)分為主梁和橋塔布置，其中主梁的固有模態(tài)頻率包括橫橋向振動，豎彎一、二、三階振動，振動的固有模態(tài)振型參數(shù)；主塔的固有模態(tài)頻率包括順橋向和橫橋向的振型參數(shù)以及頻率阻尼比等參數(shù),測點(diǎn)布置參見圖3。

圖3 模態(tài)測點(diǎn)位置圖

主橋自振特性實(shí)測豎向一階、二階、三階振型四視圖如圖4～圖7所示，用DHMA2.51分析的自振頻率、阻尼及振型特征說明見表5。

圖4 主梁實(shí)測一階豎彎振動四視圖

圖5 主梁實(shí)測二階橫向振動四視圖

圖6 主梁實(shí)測三階豎向振動四視圖

圖7 主梁實(shí)測四階豎向振動四視圖

5.2 實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算對比分析

實(shí)測頻率結(jié)果與理論計(jì)算頻率比較見表5。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)從表中可以看出：前兩階振動理論值略大于實(shí)測值，說明橋梁結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下容易產(chǎn)生一階和二階的振動，第三和第四階振動實(shí)測值大于理論值，說明實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度大于理論計(jì)算剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 實(shí)測頻率結(jié)果與理論計(jì)算比較表

采用DHMA2.51模態(tài)軟件分析的實(shí)測振型見圖4～圖7，從圖中可以看出豎向一階振型主梁峰值出現(xiàn)在中跨L/2截面。實(shí)測結(jié)構(gòu)阻尼通過DHMA2.51模態(tài)軟件分析得到，其結(jié)果見表5。從實(shí)測阻尼比可見其阻尼系數(shù)較小，說明橋梁結(jié)構(gòu)振動衰減正常。

6 結(jié)語

斜拉橋在進(jìn)行承載能力評定時首先要進(jìn)行的是外觀調(diào)查,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)尺寸、材料等是否與設(shè)計(jì)相符合,在調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析，確保模型與實(shí)際相符。在建立斜拉橋模型時應(yīng)注意斜拉索錨固位置與實(shí)際位置的對應(yīng)，如在模型中錨固位置沒有節(jié)點(diǎn)，應(yīng)建立剛臂連接主梁與拉索。

校驗(yàn)系數(shù)是評定橋梁承載能力的主要指標(biāo)，同時影響校驗(yàn)系數(shù)因素較多，例如儀器靈敏程度、加載位置的準(zhǔn)確性、加載車軸重的誤差、測點(diǎn)位置布置的偏差、環(huán)境因素造成的誤差等。在進(jìn)行分析時應(yīng)充分考慮這些誤差帶來的影響。

斜拉橋在進(jìn)行模態(tài)分析時除主梁振動形態(tài)頻率外，主塔測點(diǎn)布置較為困難，條件許可時還應(yīng)考慮主塔順橋向振動。主塔順橋向承受索力之后剛度變大，振動頻率變高，索塔的振動會影響斜拉索的振動。

單索面斜拉橋的索力分配尤為重要,斜拉橋的拉索長度一般較長采用弦振法測量準(zhǔn)確度較高,在安裝壓力環(huán)的斜拉索可以將索力儀與壓力環(huán)的測量數(shù)據(jù)對比分析。