獨塔寬幅斜拉橋荷載試驗與分析

谷國強　張學亮　陳賀功　吳季華

（上海同納建設工程質量檢測有限公司，上?！?00331）

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獨塔寬幅斜拉橋荷載試驗與分析

谷國強張學亮陳賀功吳季華

（上海同納建設工程質量檢測有限公司，上海200331）

摘要：介紹了黃山市某獨塔寬幅單索面斜拉橋動、靜載試驗的主要內容和方法，說明了寬幅斜拉橋測點布置情況，分析了該橋結構的實測應力、撓度、動力特性與理論計算值，試驗結果表明，橋梁校驗系數均小于1，橋梁的剛度和承載能力滿足設計要求。

關鍵詞：靜載試驗，振動特性，動載試驗，校驗系數

1　工程概況

黃山市某獨塔斜拉橋為一座獨塔單索面預應力混凝土斜拉橋，主橋全長240 m，跨徑組合為130 m + 110 m，全寬34 m，結構采用塔、墩、梁固結體系。

主梁為預應力混凝土單箱五室截面，主梁標準階段6 m及4 m，每根斜拉索處設置一道橫隔梁。主塔采用獨柱式空心矩形斷面，橋塔順橋向寬度為7. 0 m，橫橋向厚度為4. 0 m，主墩墩身采用類似橢圓形單箱雙室截面。斜拉索采用雙索面扇形布置，拉索在梁上標準間距為6. 0 m及4. 0 m，塔上標準間距為2. 0 m，斜拉索單側19對，全橋共76根。主橋雙向四車道，計算行車速度40 km/h，設計荷載公路—Ⅰ級。

橋梁通車前進行靜、動載試驗，通過測試橋跨結構的實際受力狀態(tài)及振動特性，評價其在設計荷載下的工作性能，檢驗橋梁承載力是否滿足設計要求，為大橋通車前的交工驗收提供技術依據。同時該橋斜拉橋是寬幅橋，又是單索面，對偏載作用下的橋梁撓度進行分析，是否影響橋梁運營安全。橋型布置見圖1，主梁1/2跨中斷面結構尺寸見圖2。

圖1　橋型布置圖（單位：cm）

圖2　主梁1/2跨中斷面結構尺寸（單位：cm）

2　荷載試驗實施方法

利用橋梁計算專用軟件Midas Civil建立有限元模型，主要控制截面是根據斜拉橋在活載作用下橋梁的內力包絡圖確定的。控制截面如圖1所示。

2.2測點布置

靜載試驗主要工作內容為測試主要控制截面的應力（應變）、撓度、斜拉索索力增量和塔頂水平位移。

1）應力測試。橋梁應力測點布置在應力控制截面的底板、腹板、頂板上，測量縱向應力；索塔底部沿塔高度的豎向應力。測點布置如圖3，圖4所示。應力測試采用混凝土表面粘貼電阻式應變片，采用DH3815N靜態(tài)應變采集儀器進行數據采集。

圖3　箱梁應力測點布置圖

圖4　索塔應力測點布置圖

2）撓度測試。由于該橋屬于寬幅橋，在偏載作用下左右兩側翼緣板與梁底撓度會出現較大的差別，撓度測點布置在梁底和翼緣板底。主梁每個截面5個測點，共計35個測點，測點處粘貼小棱鏡，利用2臺Leica TS50全站儀在主橋上下游150 m處分別進行測試。全站儀的測距精度為0. 6 mm + 1 ppm、測角標準差為±0. 5″。測點布置如圖3所示。

3）索塔水平位移。索塔頂布置2個測點，測試索塔頂水平位移，測點處粘貼小棱鏡，利用2臺Leica TS50全站儀進行測試。

4）斜拉索增量測試。根據結構計算，主跨上、下游側9號～11號索在設計荷載作用下索力增量較大，選擇這6根索測試試驗工況下的索力增量。測點位置見圖1中6斷面。測試索上安裝941B低頻加速傳感器，采用INV3020C采集分析儀進行數據采集。

(2)棉花是新疆的主要經濟作物之一，而且新疆也是棉花優(yōu)良的天然種植地，根據“規(guī)劃”調棉能夠實現文中所設定的力度。文章僅從節(jié)水的視角，設定調棉規(guī)模，且在結構調整的實施過程中，大部分種植戶最在乎的是該農作物的經濟效益，而考慮環(huán)境影響次之，因此需要一定的推廣講座和補貼措施，引導農戶逐步轉變種植觀念。

2.3加載方案

試驗加載方案主要根據設計荷載在結構控制截面上產生的最不利荷載效應計算得到，根據控制截面的活載影響線計算確定各個試驗工況所需要的加載車輛和加載位置。為了充分反映結構的受力特點，一般要求選擇較高的試驗效率，根據規(guī)定，試驗效率控制在0. 95～1. 05［1］。該橋試驗控制荷載為公路—Ⅰ級，經計算，確定需12輛每輛總重為300 kN的三軸車加載，前軸重60 kN，中后軸各重120 kN。試驗加載工況及加載效率見表1。

表1　靜載試驗加載工況及荷載效率

3　靜載試驗結果分析與評定

通過對各試驗工況下主要控制截面的實測應力、撓度、塔頂變位和索力增量與理論值進行對比，評定橋梁承載能力是否滿足設計要求。應力（應變）、撓度、塔頂水平位移、索力增量試驗結果見表2～表6。

表2　主梁和主塔實測應力值與計算值對比表

表3　主梁實測撓度值與計算值對比表

表4　截面5各測點撓度測試結果　mm

控制截面　試驗工況　實測/MPa　理論值/MPa 校驗系數主塔5截面　工況5　-13. 7　-14. 1　0. 97

表5　塔頂實測水平位移與計算值對比表

3.1應力分析

表2是主梁主要控制截面實測應力與計算應力對比表。主梁應力的校驗系數在0. 54～0. 94之間，主塔應力校驗系數在0. 53～0. 68之間，校驗系數全部小于1，說明主梁和主塔實際強度大于理論計算值，滿足設計要求。

3.2主梁撓度分析

表3是主梁控制截面實測撓度與理論計算撓度對比表。主梁撓度的校驗系數在0. 82～0. 97之間，校驗系數全部小于1，說明結構實際剛度大于計算剛度，說明在試驗荷載下結構處于彈性工作狀態(tài)。

表4給出了截面5各撓度測點在對稱加載和偏載時的撓度測試結果，從測試結果可以看出，由于該橋為寬幅橋，且為單索面，車輛偏載時翼緣板的撓度與底板的撓度出現較大差別，為了測試精確度，對寬幅橋應在底板和翼緣板底分別設置測點。通過表4的數據可以分析得出主梁的偏載系數為1. 08，偏載系數較小，表明該橋橫向剛度較大，偏載效應不明顯，偏載時能保證橋梁安全。

3.3主塔塔頂變位分析

表5是索塔頂實測變位與理論計算變位對比表。主塔塔頂水平位移的校驗系數為0. 97，校驗系數小于規(guī)范限值1，主塔塔頂實測水平位移與理論計算值吻合較好，說明主塔整體剛度較好，滿足設計要求。

3.4索力增量分析

表6是斜拉索實測索力增量與理論計算值對比表。實測索力增量的校驗系數在0. 94～0. 97之間，校驗系數小于1，斜拉索的索力增量略小于理論計算值，表明斜拉索受力狀態(tài)符合設計要求。

3.5相對殘余變位（應變）分析

相對殘余變位（應變）是反映結構彈性工作狀態(tài)的參數，數值越小，說明結構越接近彈性工作狀態(tài)。本橋的主要撓度測點相對殘余變位在0%～5. 25%，主要應變測點相對殘余應變在0%～7. 61%，均不超過相對殘余變位（應變）20%的限值。

4　自振特性測試

橋梁自振特性的測試采用環(huán)境隨機振動法。在橋面無任何交通荷載以及橋梁附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，將各測量點的加速度信號記錄下來。測得結構的振型、自振頻率和阻尼比等動力學特征。

選擇在沿主梁縱橋的每跨四分點處截面為豎向振動測試截面，主跨和邊跨共計9個振動測試截面，在每個截面上游、下游的車行道邊緣處各布置1個測點，采集橋梁主梁豎向加速度數據，對采集的數據進行模態(tài)分析。從表7的結果可以看出，主梁實測頻率大于理論計算頻率，說明結構實際剛度大于理論設計值，實測振型與理論振型一致，符合設計要求。

表7　橋梁自振特性實測值與理論計算值對比表

實測一、二階振型如圖5，圖6所示。

圖5　實測一階振型圖

圖6　實測二階振型圖

5　結語

1）在靜載試驗時，實測主梁應變和撓度、索塔應力、塔頂水平位移以及索力增量均小于理論計算值，主要控制截面相對殘余變位（應變）在0%～7. 61%之間。說明主梁、索塔強度和剛度性能較好，結構在試驗荷載下處于彈性狀態(tài)，符合設計要求。

2）通過該橋自振頻率和振型與理論計算值比較，結構實際剛度大于理論設計值，實測振型與理論振型一致，符合設計要求。

3）靜、動載試驗結果表明該斜拉橋在相當于設計規(guī)定的車輛荷載等級的試驗荷載作用下，滿足設計荷載等級（公路—Ⅰ級）的使用要求。

4）根據寬幅獨特斜拉橋的受力特點，提出了對本橋有針對性的控制截面測點布置方案，試驗結果表明車輛偏載時翼緣板的撓度與底板的撓度出現較大差別，因此，對寬幅橋應在底板和翼緣板底分別設置撓度測點，該方案可為其他寬幅斜拉橋荷載試驗提供參考。

參考文獻：

［1］JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

On loading tests and analysis of single-tower and wide cable-stayed bridges

Gu Guoqiang Zhang Xueliang Chen Hegong Wu Jihua
（Shanghai Tongna Construction Engineering Quality Testing Co.，Ltd，Shanghai 200331，China）

Abstract：The paper introduces the main contents and methods for the single cable-stayed bridge and static loading of some single-tower and wide cable-stayed bridges in Huangshan City，indicates the testing points allocation of the bridge，analyzes the tested stress，deflection，and dynamic features，and theoretic calculation，and proves by the result that the bridge checking coefficient is no more than 1 and its stiffness and loading capacity can meet the design demands.

Key words：static loading test，vibration feature，dynamic loading test，checking coefficient

中圖分類號：U448. 27

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0179-03

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：谷國強（1983-），男，碩士，工程師；張學亮（1981-），男，碩士，工程師；陳賀功（1981-），男，碩士，工程師；吳季華（1987-），男，工程師