李家沙斜拉橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析

陳劍云

（廣東省交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東廣州 510420）

0 前言

李家沙特大橋主橋?yàn)?10 m+220 m+110 m三跨雙塔四索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用平行的上下兩幅橋，兩主梁橫向完全分離，斜拉索布置在主梁兩側(cè)形成空間四索面。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)。主橋共有112對(duì)斜拉索，拉索采用直徑為7 mm的鍍鋅高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲。主塔采用兩個(gè)并列的菱形塔橫向連接而成。該橋設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)試的一種鑒定手段，是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及動(dòng)力參數(shù)等性能的最直接、最有效的方法。在通車(chē)前對(duì)成橋?qū)嵤╈o動(dòng)載試驗(yàn)，其目的在于檢驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，確定工程結(jié)構(gòu)的工作性能和可靠性，評(píng)價(jià)主橋施工質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)也為橋梁建立了“指紋”檔案，為該橋使用過(guò)程的維護(hù)與檢測(cè)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)與方法

1.1 靜載加載設(shè)計(jì)

靜載試驗(yàn)的工況設(shè)定和加載位置的確定原則：在加載荷載的作用下，主梁、主塔的內(nèi)力值控制在設(shè)計(jì)荷載作用下最不利彎矩效應(yīng)值的0.8～1.0范圍內(nèi)，同時(shí)，要用最少的試驗(yàn)加載車(chē)輛獲得最大的試驗(yàn)荷載效率。理論計(jì)算使用MIDAS橋梁分析軟件進(jìn)行，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并經(jīng)過(guò)分析，將靜載試驗(yàn)分為兩個(gè)工況。其中工況1測(cè)試A截面最大負(fù)彎矩和全橋撓度，采用12輛300 kN的載重汽車(chē)，分四級(jí)進(jìn)行加載，滿載后持荷至變形穩(wěn)定，分兩級(jí)進(jìn)行卸載，卸載后繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工況2測(cè)試內(nèi)容為B截面最大正彎矩和最大撓度、C截面最大彎矩、3號(hào)塔頂最大偏位，采用20輛300 kN的載重汽車(chē)，加載和卸載方式同工況1，靜載試驗(yàn)測(cè)試截面見(jiàn)圖1。

1.2 靜載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

靜載試驗(yàn)主要進(jìn)行以下內(nèi)容的測(cè)試：主梁活載正彎矩、負(fù)彎矩控制截面應(yīng)力檢測(cè)；索塔塔柱底彎矩控制截面應(yīng)力檢測(cè)；索塔頂水平位移檢測(cè)；主梁最大撓度檢測(cè)；主梁測(cè)試截面附近拉索索力檢測(cè)；各主要截面和部位的裂縫觀測(cè)。其中，應(yīng)力測(cè)試的儀器是振弦式應(yīng)變計(jì)，斜拉索索力測(cè)試采用頻率法，主梁撓度測(cè)試的儀器是全站儀和精密水準(zhǔn)儀，溫度測(cè)試以溫度槍為主要測(cè)試工具。

1.3 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

動(dòng)載試驗(yàn)的內(nèi)容包括脈動(dòng)試驗(yàn)和受迫振動(dòng)試驗(yàn)，主要測(cè)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，分為三個(gè)方面，即結(jié)構(gòu)自振頻率及振型測(cè)定、結(jié)構(gòu)自振阻尼比測(cè)定和結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)測(cè)定。脈動(dòng)試驗(yàn)是在主梁上布置高靈敏度、超低頻的拾振器，長(zhǎng)時(shí)間記錄結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)，并對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而獲得結(jié)構(gòu)的自振特性。通過(guò)對(duì)環(huán)境激勵(lì)下橋梁的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行多次功率譜的平均分析，可得到各階自振頻率的振型、阻尼比等。受迫振動(dòng)試驗(yàn)是在主梁主跨跨中截面布置動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)，以測(cè)試在受迫振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)值，與同樣靜荷載作用下的靜應(yīng)變、靜撓度進(jìn)行比較，從而得到不同行駛車(chē)速下的動(dòng)力系數(shù)，同時(shí)在橋面的主要截面布置高靈敏度拾振器，測(cè)試結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

2 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

靜載試驗(yàn)主要是在荷載作用下，測(cè)量相關(guān)的參數(shù)，以便可以反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。本次靜載試驗(yàn)A截面對(duì)稱荷載下最大負(fù)彎矩試驗(yàn)效率為0.96，B截面對(duì)稱荷載下最大正彎矩試驗(yàn)效率為0.94、對(duì)稱荷載下最大撓度試驗(yàn)效率為1.00，C截面對(duì)稱荷載下最大正彎矩試驗(yàn)效率為0.99，3號(hào)塔頂對(duì)稱荷載下最大偏位試驗(yàn)效率為0.92，均滿足《大跨徑混凝土橋梁試驗(yàn)方法》規(guī)定的0.80≤ηq≤1.00的要求。

圖1 靜載試驗(yàn)測(cè)試截面布置圖（單位：cm）

試驗(yàn)記錄了各工況實(shí)測(cè)撓度、索力、橋塔偏位、應(yīng)變及其殘余值，結(jié)合理論值可計(jì)算出這些測(cè)試項(xiàng)目增量的校驗(yàn)系數(shù)。通過(guò)這些測(cè)量項(xiàng)目荷載效應(yīng)增量實(shí)測(cè)值和理論值的比較及校驗(yàn)系數(shù)、殘余值與最大效應(yīng)測(cè)試值的比值等參數(shù)判定結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。本文限于篇幅，只對(duì)各工況的重點(diǎn)考擦內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1 各工況主梁撓度分析

滿載荷載下，工況1中最大撓度測(cè)點(diǎn)L5、R5實(shí)測(cè)彈性撓度數(shù)值分別為25.41 mm、25.31 mm，平均撓度值為25.36 mm，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為25.57，相應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)為0.99；工況2中最大撓度測(cè)點(diǎn)L12、R12實(shí)測(cè)彈性撓度數(shù)值分別為121.15 mm、117.85 mm，平均撓度值為119.5 mm，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值為113.90 mm，相應(yīng)校驗(yàn)系數(shù)為1.05，均處于規(guī)定的常值范圍（0.70～1.05），說(shuō)明主梁剛度滿足設(shè)計(jì)要求。工況2主梁各撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度曲線見(jiàn)圖2，主梁的實(shí)測(cè)變形曲線平滑連續(xù)，且與理論計(jì)算變形吻合較好。

圖2 工況2主梁實(shí)測(cè)撓度曲線（右側(cè)）

2.2 各工況應(yīng)力測(cè)試截面結(jié)果分析

滿載作用下，各截面應(yīng)力（應(yīng)變）實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可以看出，各工況下對(duì)應(yīng)主梁和主塔截面的應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論值，校驗(yàn)系數(shù)介于0.76～0.95之間，均小于1.05，在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)，說(shuō)明主梁和主塔結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

表1 各截面應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試結(jié)果（單位：με）

2.3 斜拉索索力分析

各級(jí)荷載作用下，4號(hào)塔中跨12、13、14號(hào)索的索力變化較有規(guī)律。滿載時(shí)，拉索實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)理論計(jì)算值比較吻合，卸載后也基本可恢復(fù)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)工作性能良好，其中，部分斜拉索索力變化實(shí)測(cè)值和滿載理論值見(jiàn)表2。

2.4 主塔塔頂位移分析

工況2滿載情況下，左幅3號(hào)索塔塔頂?shù)目v橋向位移的實(shí)測(cè)值為34.29 mm，理論計(jì)算值為45.15 mm，相應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)為0.76，均小于1.05，在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)，說(shuō)明主塔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 彈性工作性能分析

卸載后，工況1中各主要撓度測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度介于0%～8%之間，最大撓度測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度為1%，A截面主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變介于0%～11%之間；工況2中各主要撓度測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度介于4%～8%之間，最大撓度測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余撓度為5%，B截面主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變介于0%～13%之間，C截面主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變介于0%～10%之間，均小于規(guī)定的相對(duì)殘余最大值20%。工況1、工況2滿載下全橋理論撓度曲線與實(shí)測(cè)撓度曲線之間吻合程度好，主要撓度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度、理論撓度曲線與荷載效率之間均呈良好線性關(guān)系，各級(jí)荷載作用下兩條曲線斜率比較接近；主要應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與荷載試驗(yàn)效率系數(shù)線性關(guān)系良好，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表2 工況2部分斜拉索索力變化實(shí)測(cè)值（單位：kN）

3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

有限元方法是大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)理論模態(tài)分析的主要方法，有限元模型可以提供橋梁結(jié)構(gòu)詳細(xì)的空間物理特性與模態(tài)特性，而通過(guò)實(shí)橋的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，可以獲得橋梁真實(shí)的結(jié)構(gòu)特性，計(jì)算可知，大橋模態(tài)計(jì)算值和試驗(yàn)值見(jiàn)表2。頻率分析：主梁實(shí)測(cè)前6階自振頻率均比理論計(jì)算值大，表明結(jié)構(gòu)的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。各階振型與理論計(jì)算對(duì)應(yīng)振型基本一致，表明計(jì)算模型正確，同時(shí)也驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。阻尼比分析：阻尼比是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)消散外部能量的重要指標(biāo)，阻尼比越大說(shuō)明結(jié)構(gòu)越容易消耗外部能量，可能是結(jié)構(gòu)存有結(jié)構(gòu)裂縫的原因?qū)е?。本次主梁?shí)測(cè)各階平均阻尼比測(cè)試結(jié)果范圍為1.87%～4.50%，屬于正常范圍。振型分析：本次試驗(yàn)各階振型與理論計(jì)算對(duì)應(yīng)振型基本一致，表明計(jì)算模型正確，同時(shí)也驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

3.2 受迫振動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析

車(chē)速為20 km/h的勻速行車(chē)工況下，主梁中跨跨中截面動(dòng)撓度曲線見(jiàn)圖3。

在10～60 km的無(wú)障礙行車(chē)激振和10～30 km的有障礙行車(chē)激振作用下，主梁中跨跨中撓度測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 行車(chē)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與車(chē)速關(guān)系

從實(shí)測(cè)動(dòng)撓度結(jié)果可以看出：各無(wú)障礙行車(chē)激振工況下主梁跨中撓度的動(dòng)態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)介于1.009～1.044之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為40 km時(shí)，可見(jiàn)無(wú)障礙行車(chē)對(duì)主梁的沖擊效應(yīng)不大，說(shuō)明當(dāng)橋面平順時(shí)，橋面行車(chē)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小。有障礙行車(chē)試驗(yàn)下主梁跨中撓度的動(dòng)態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)介于1.052～1.217之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為10 km時(shí)。在不同車(chē)速下，有障礙行車(chē)試驗(yàn)的動(dòng)撓度所對(duì)應(yīng)增大系數(shù)均大于無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)的相應(yīng)動(dòng)力系數(shù)，表明車(chē)輛非正常行駛時(shí)橋面不平整對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀況影響較為不利。

4 結(jié)語(yǔ)

由該橋的靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)控制指標(biāo)均基本符合規(guī)范要求及設(shè)計(jì)要求，實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線變化與理論計(jì)算基本一致，可見(jiàn)該橋結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)，主梁、主塔的剛度、強(qiáng)度性能良好，結(jié)構(gòu)受力合理，橋跨結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)的要求。

由動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知橋跨結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力性能，滿足設(shè)計(jì)要求。跳車(chē)試驗(yàn)所得應(yīng)變動(dòng)力系數(shù)明顯要大于跑車(chē)試驗(yàn)所得動(dòng)力系數(shù)，說(shuō)明橋面不平整對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀況影響較為不利。因此，在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)盡量保持橋面平整。

通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)載試驗(yàn)，在整理分析試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了該橋竣工后的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能檔案資料。這也為以后該橋在運(yùn)營(yíng)階段，特別是老化階段的檢測(cè)與評(píng)定提供了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。