基于桿系單元某獨(dú)塔斜拉橋靜動(dòng)載檢測(cè)試驗(yàn)的實(shí)例分析

邵森泉 （合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程背景

本工程實(shí)例上部結(jié)構(gòu)為（90+110）m斜置拱塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系，主梁采用雙主梁肋板式結(jié)構(gòu)形式，錨跨壓重區(qū)域主梁截面采用箱型截面，全長(zhǎng)205m，全寬40m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為：0.25m（欄桿）+2.25m（人行道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+3m（隔離帶）+22m（機(jī)動(dòng)車道）++3m（隔離帶）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.25m（人行道）+0.25m（欄桿）=40m，道路等級(jí)為城市主干道Ⅲ級(jí)，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)；下部結(jié)構(gòu)為主墩基礎(chǔ)采用承臺(tái)灌注群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)頂設(shè)1.5m高塔座。橋臺(tái)采用樁柱式臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 理論分析

進(jìn)行荷載試驗(yàn)前，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，使用有限元分析軟件Midas Civil 2020建立模型，全橋共169個(gè)節(jié)點(diǎn)，211個(gè)梁?jiǎn)卧?8個(gè)只受拉桁架單元，支座處采用彈性連接模擬，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在不同試驗(yàn)工況作用下控制的應(yīng)變、應(yīng)力和位移理論值。模型如圖2所示。

圖1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 有限元分析基礎(chǔ)模型

3 靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、業(yè)主要求及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的橋梁施工質(zhì)量缺陷確定試驗(yàn)工況如表1所示。

試驗(yàn)工況一覽表 表1

撓度測(cè)點(diǎn)布置在橋梁控制截面底緣處，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 撓度位移測(cè)點(diǎn)布置

本橋梁靜載試驗(yàn)共布置5個(gè)撓度位移測(cè)點(diǎn)，分別為梁底f1、f2和f3，橋面f4和f5。

塔頂偏位選擇使用全站儀進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的偏位測(cè)量。為測(cè)得在試驗(yàn)荷載作用下，該橋塔頂最大側(cè)移分級(jí)變化過(guò)程，偏位控制測(cè)點(diǎn)設(shè)置在塔頂處。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

圖4 塔頂最大偏位測(cè)點(diǎn)布置圖

在本橋梁最大正彎矩控制截面梁底緣各布置3個(gè)表面應(yīng)變計(jì)，分別位于雙主梁與橫肋處，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

塔身最大彎矩控制截面設(shè)在塔梁固結(jié)處，主塔與橋梁鋪裝層搭接處布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 塔身截面彎矩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

車輛橫向布置圖見(jiàn)圖7及圖8。

圖7 車輛偏載橫向布置圖（單位：cm）

圖8 車輛對(duì)稱加載橫向布置圖（單位：cm）

本次靜載試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)變采用DH3816應(yīng)變采集儀進(jìn)行應(yīng)變實(shí)時(shí)采集，沉降位移采用拉線式位移計(jì)和撓度儀進(jìn)行測(cè)量。

3.2 靜載試驗(yàn)評(píng)定結(jié)論

靜載試驗(yàn)主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變形或相對(duì)殘余應(yīng)變等數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀況進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)表2及圖9～圖12可知，各工況作用下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.36～0.88之間，變形校驗(yàn)系數(shù)在0.53～0.74之間；相對(duì)殘余應(yīng)變?cè)?.1%～15.8%之間，相對(duì)殘余變形在3.20%～10.20%之間，說(shuō)明橋梁處于彈性工作狀態(tài)以及具有一定的安全儲(chǔ)備。

索力評(píng)定表 表2

圖9 變形校驗(yàn)系數(shù)曲線

圖10 相對(duì)殘余變形曲線

圖11 應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)曲線

圖12 相對(duì)殘余應(yīng)變曲線

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 布置拾振傳感器

本橋根據(jù)振型的特點(diǎn)，在振型的峰、谷位置布置相應(yīng)傳感器。主要布置在每跨八等分處。每跨共分別布置7個(gè)拾振傳感器。見(jiàn)圖13。

圖13 拾振器布置圖

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 跑車試驗(yàn)

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h、20km/h的速度駛過(guò)，并采集運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力特性。圖14～圖15為車速10km/h和20km/h跑車曲線。

圖14 10km/h跑車曲線

圖15 20km/h跑車曲線

4.2.2 剎車試驗(yàn)

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h和30km/h的速度駛至測(cè)試截面進(jìn)行剎車，并采集運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力特性。圖16～圖17為車速10km/h和30km/h剎車曲線。

圖16 10km/h剎車曲線

圖17 30km/h剎車曲線

4.2.3 動(dòng)撓度測(cè)試結(jié)果

4.2.3.1 跑車試驗(yàn)

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h、20km/h的速度駛過(guò)，并采集運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力特性。圖18～圖19為車速10km/h和20km/h跑車曲線。

圖18 10km/h跑車曲線

圖19 20km/h跑車曲線

4.2.3.2 剎車試驗(yàn)

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛載重汽車以10km/h和30km/h的速度駛至測(cè)試截面進(jìn)行剎車，并采集運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力特性。圖20～圖21為車速10km/h和30km/h剎車曲線。

圖20 10km/h剎車曲線

圖21 30km/h剎車曲線

4.2.4 自振特性測(cè)試結(jié)果

4.2.4.1 信號(hào)采集與分析

采用連續(xù)采樣方式在自然環(huán)境激勵(lì)作用下采集拾震器的速度響應(yīng)信號(hào)，每通道的采樣率設(shè)為：100Hz，采樣時(shí)間一般每個(gè)批次尺寸約15～20min。

通過(guò)時(shí)域平均、頻域?yàn)V波等方法對(duì)信號(hào)去噪，利用收集信號(hào)的互譜、自功率譜、相干函數(shù)識(shí)別橋梁豎向振動(dòng)的前三階模態(tài)參數(shù)。該橋理論及實(shí)測(cè)振型見(jiàn)圖22～圖27所示。

圖22 理論一階頻率及振型（f1=0.892Hz）

圖23 實(shí)測(cè)一階頻率及（f1=1.172Hz）

圖24 理論二階頻率及振型（f2=1.030Hz）

圖25 實(shí)測(cè)二階頻率及振型（f2=1.953Hz）

圖26 理論三階頻率及振型（f3=2.108Hz）

圖27 實(shí)測(cè)三階頻率及（f3=2.832Hz）

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比結(jié)果，橋梁前三階理論自振頻率均小于實(shí)測(cè)自振頻率，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)各部件整體性能和技術(shù)狀況較好。

5 靜動(dòng)載試驗(yàn)問(wèn)題與建議

根據(jù)上述靜動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)論可知，理論計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，能夠較好地反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)，尤其是墩塔梁固結(jié)的斜拉橋，基于有限元分析相對(duì)準(zhǔn)確，但是誤差還是存在，在工程實(shí)際運(yùn)用中，仿真分析又顯得繁瑣與不簡(jiǎn)便，因此從數(shù)據(jù)的貼合度與精確性上來(lái)說(shuō)，滿足工程使用。

筆者下一步嘗試基于構(gòu)件分析該斜拉橋數(shù)據(jù)分析，與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)以及基于桿系單元分析的結(jié)果進(jìn)行比較，在滿足工程實(shí)用與理論精確的臨界點(diǎn)尋求和諧統(tǒng)一。