某山區(qū)超寬混凝土斜拉橋荷載試驗(yàn)檢測技術(shù)研究

宋 波,王 華,張旭輝,彭建新

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000；3.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；4.長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114)

隨著山區(qū)公路交通的迅速發(fā)展，世界級(jí)橋梁在數(shù)量上急劇增加，相應(yīng)檢測技術(shù)也提出了很高的要求[1-3]。隨著新版《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》JTG/T J21-01-2015的發(fā)布，公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測有了較明確的規(guī)程條文；但是，山區(qū)超寬混凝土斜拉橋的荷載試驗(yàn)檢測相關(guān)的計(jì)算工作等技術(shù)要求，跟常規(guī)橋梁有不太一致的地方，由于超大跨徑，相應(yīng)主梁撓度、索塔偏位等參數(shù)數(shù)據(jù)比較大，此時(shí)計(jì)算方法應(yīng)按照橋梁實(shí)際狀態(tài)根據(jù)規(guī)范的原則來做適當(dāng)調(diào)整[4-7]，在滿足檢測目的的基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營及使用性能。

1 橋梁概況

楠木渡烏江特大橋是蘭海高速貴州境遵義至貴陽段擴(kuò)容工程上的一座特大橋梁，由北往南橫跨烏江。橋梁全長958 m，主橋中心樁號(hào)為K38+920。主橋橋面寬37.6 m，引橋橋面寬33.5 m。橋跨布置為：2×40+(40+110+320+110+40)+(40+42+42)+3×42 m。其中主橋采用(40+110+320+110+40)m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，雙邊箱斷面，主梁中心高3.2 m，頂板寬37.6 m(含封嘴)，橋面設(shè)2%的雙向橫坡。邊箱箱底板寬4.0 m，三角部分寬6.8 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)段長度為6.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚0.3 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m，三角部分斜底板厚0.3 m。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過測定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的控制截面應(yīng)力和撓度，并與理論計(jì)算值比較，判定實(shí)際結(jié)構(gòu)控制截面應(yīng)力與撓度值是否與設(shè)計(jì)要求相符；通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)對試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象的綜合分析，對實(shí)際結(jié)構(gòu)作出總體評價(jià)。

2.2 測試截面及測點(diǎn)布置

撓度測試截面：邊跨在相應(yīng)工況測試截面(J2、J8)橫橋向設(shè)置3個(gè)撓度測點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場條件，采用精密光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測試；主跨工況橫橋向設(shè)置3條測線(左幅、中央側(cè)、右幅)，每條測線縱向沿主跨8分點(diǎn)設(shè)置7個(gè)測點(diǎn)，總共布設(shè)21個(gè)測點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場條件，采用連通管進(jìn)行測試。撓度測點(diǎn)布置詳見圖1、圖2。

圖1 撓度測試截面布置圖(單位：m)

圖2 撓度測點(diǎn)橫向布置圖(單位：cm)

應(yīng)變測試截面：選取3#輔助墩最大負(fù)彎矩截面(J1)、第4跨跨中截面(J2)、4#墩墩頂最大負(fù)彎矩截面(J3)、主跨L/4截面(J4)、主跨最大正彎矩截面(J5)、主跨跨中截面(J6)、5#墩墩頂最大負(fù)彎矩截面(J7)、第6跨跨中截面(J8)、6#輔助墩最大負(fù)彎矩截面(J9)、4#和5#主塔塔頂最大水平位移截面(J10、J11)、4#和5#主塔塔柱根部彎矩截面(J12、J13)作為應(yīng)變(應(yīng)力)測試截面。應(yīng)變測點(diǎn)布置詳見圖3～圖6。

圖3 全橋應(yīng)變測試截面布置(單位：m)

圖4 J1、J3、J7、J9截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

圖5 J2、J4～J6、J8截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

圖6 J12、J13截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

2.3 荷載試驗(yàn)工況布置

結(jié)構(gòu)計(jì)算中按公路-Ι級(jí)最不利布載，取控制截面最大彎矩作為試驗(yàn)加載截面的控制值。靜力荷載試驗(yàn)工況及各試驗(yàn)加載截面的控制內(nèi)力見表1。

表1 主橋靜載試驗(yàn)荷載效率Table1 Loadefficiencyofmainbridgeunderstaticloadtest加載工況加載項(xiàng)目試驗(yàn)計(jì)算值/(kN·m)理論計(jì)算值/(kN·m)荷載效率工況1J1截面3#輔助墩最大負(fù)彎矩-51308.75-52788.20.972工況2J2截面第4跨跨中正彎矩33345.1735069.30.951工況3J3截面4#墩墩頂最大負(fù)彎矩-35803.72-41323.40.866工況4J4截面主跨L/4處主梁正彎矩31514.8531685.50.995工況5J5截面主跨主梁最大正彎矩40944.2142652.40.960工況6J6截面主跨跨中正彎矩43520.9241905.41.039工況7J7截面5#墩墩頂最大負(fù)彎矩-41355.2-35471.730.858工況8J8截面第6跨跨中彎矩33208.37328941.010工況9J9截面6#輔助墩最大負(fù)彎矩49764.86-51111.30.974工況11J12截面對應(yīng)的4#主塔塔柱根部彎矩-25258.9-53106.80.477J13截面對應(yīng)的5#主塔塔柱根部彎矩-32811.5-81513.20.403 注:工況10為J10、J11截面對應(yīng)的4#、5#主塔塔頂最大水平位移,其試驗(yàn)計(jì)算值41.187mm,理論計(jì)算值61.058mm,荷載效率0.675。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

a.主梁撓度。

工況2(J2截面第4跨跨中正彎矩)作用下各測點(diǎn)撓度滿載值見表2和圖7。遵義側(cè)最大彈性撓度為19.91 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.83之間，相對殘余撓度在-17.85%～2.40%之間，卸載后整體上撓度恢復(fù)正常。

表2 工況2作用下?lián)隙葘?shí)測結(jié)果Table2 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions2mm工況2中載測試位置左側(cè)彈性撓度中央彈性撓度右側(cè)彈性撓度計(jì)算撓度F19.679.789.1113.37F219.9119.0817.9523.99F310.5910.3310.4013.13注:表中數(shù)據(jù)相對殘余撓度均小于20%。

圖7 工況2作用下實(shí)測撓度與理論值對比圖

工況6(J6截面主跨跨中正彎矩)作用下各測點(diǎn)撓度滿載值見表3和圖8。工況6實(shí)測橋跨最大彈性撓度為118.13 mm，撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.99之間，均值0.94，主要測點(diǎn)相對殘余撓度在-9.59%～16.55%范圍內(nèi)。在試驗(yàn)荷載下，主橋試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度滿足公路-I級(jí)汽車荷載的正常使用要求。

表3 工況6作用下?lián)隙葘?shí)測結(jié)果Table3 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions6mm工況2中載測試位置左側(cè)彈性撓度中央彈性撓度右側(cè)彈性撓度計(jì)算撓度F112.5712.0212.9713.67F239.2438.5339.3039.71F386.1985.6588.0289.33F4116.18116.05118.13122.04F589.7289.6488.7193.05F641.0541.6540.5142.76F713.5412.9711.7314.84注:表中數(shù)據(jù)相對殘余撓度均小于20%。

圖8 工況6作用下實(shí)測撓度與理論值對比圖

b.主梁應(yīng)變。

J2截面工況2應(yīng)變檢測結(jié)果見表4和圖9、圖10。對比實(shí)測橋跨應(yīng)變及與理論計(jì)算值，得出遵義側(cè)邊跨主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.45～0.90之間，卸載后整體上恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變在20%范圍內(nèi)，應(yīng)變實(shí)測線性相關(guān)性較好。

圖9 J2截面加載2-1#～2-24#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與計(jì)算值的比較

圖10 J2截面加載2-1#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與荷載的關(guān)系曲線

J6截面工況6應(yīng)變檢測結(jié)果見表5和圖11、圖12。J6截面工況6作用下，對比實(shí)測橋跨應(yīng)變及與理論計(jì)算值，得出主橋主桁主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.26～0.99之間，卸載后整體上恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變在20%范圍內(nèi)，應(yīng)變實(shí)測線性相關(guān)性較好。

表5 J6截面工況6應(yīng)變檢測結(jié)果Table5 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ6un-derworkingconditions6測點(diǎn)編號(hào)總應(yīng)變值/με滿載彈性應(yīng)變/με實(shí)測殘余應(yīng)變/με應(yīng)變理論計(jì)算值/με校驗(yàn)系數(shù)相對殘余應(yīng)變/%6-168664950.696.376-36886-13950.91-19.126-6-17-15-1-280.546.006-7-15-15-2-560.2610.876-8-22-24-3-560.4215.156-10-21-27-2-560.4811.116-12-41-56-2-560.994.886-14-15-150-560.270.006-16-18-180-560.320.006-18-16-16-2-560.2912.506-2047467710.6414.896-225559-4950.62-7.27

圖11 J6截面加載6-1#～6-24#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與計(jì)算值的比較

圖12 J6截面加載6-3#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與荷載關(guān)系曲線

J13截面工況6(5號(hào)主塔塔底)應(yīng)變檢測結(jié)果見表6和圖13、圖14。對比實(shí)測橋跨應(yīng)變與理論計(jì)算值，得出5號(hào)塔底主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.50～1.00之間，卸載后整體上恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變在20%范圍內(nèi)，應(yīng)變實(shí)測線性相關(guān)性較好。

圖13 5#主塔加載13-1#～13-12#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與計(jì)算值的比較

圖14 5#主塔截面加載13-9#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值與荷載的關(guān)系曲線

由此可見，在試驗(yàn)荷載下，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足公路-I級(jí)汽車荷載的正常使用要求。

表6 J13截面工況6(5號(hào)塔底)應(yīng)變檢測結(jié)果Table6 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ13underworkingconditions6(Towerbottomof5)測點(diǎn)編號(hào)總應(yīng)變值/με滿載彈性應(yīng)變/με實(shí)測殘余應(yīng)變/με應(yīng)變理論計(jì)算值/με校驗(yàn)系數(shù)相對殘余應(yīng)變/%13-1-5-50-60.830.0013-2-4-40-60.670.0013-3-5-4-1-60.6720.0013-4-4-40-60.670.0013-5-5-50-60.830.0013-6-5-4-1-60.6720.0013-722030.670.0013-822030.670.0013-922030.670.0013-1011030.330.0013-1122030.670.0013-1211030.330.00

c.主塔塔頂偏位。

4#索塔實(shí)測偏位值最大為33.6 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.76～0.91；5#索塔實(shí)測偏位值最大為33.4 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.97，實(shí)測值小于計(jì)算值。說明索塔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。測試結(jié)果見表7、表8。

表7 各工況下4#索塔塔頂偏位測量結(jié)果Table7 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof4undervariousworkingconditions工況偏位方向(縱橋向)實(shí)測偏位值/mm計(jì)算值/mm校驗(yàn)系數(shù)工況3向貴陽側(cè)偏位5.26.360.82工況4向貴陽側(cè)偏位6.68.720.76工況5向貴陽側(cè)偏位13.614.910.91工況6向貴陽側(cè)偏位24.330.650.79工況7向貴陽側(cè)偏位5.46.820.79工況10向貴陽側(cè)偏位33.641.20.82注:主塔向貴陽側(cè)偏移為正,主塔向遵義側(cè)偏移為負(fù)。

表8 各工況下5#索塔塔頂偏位測量結(jié)果Table8 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof5undervariousworkingconditions工況偏位方向(縱橋向)實(shí)測偏位值/mm計(jì)算值/mm校驗(yàn)系數(shù)工況3向遵義側(cè)偏位-19-29.440.65工況4向遵義側(cè)偏位-21.0-21.670.97工況5向遵義側(cè)偏位-33.4-34.890.96工況6向遵義側(cè)偏位4.04.250.94工況7向貴陽側(cè)偏位-16.8-21.970.76工況10向遵義側(cè)偏位-19-29.440.65注:主塔向貴陽側(cè)偏移為正,主塔向遵義側(cè)偏移為負(fù)。

3 模態(tài)試驗(yàn)

橋梁的動(dòng)力特性，通常主要通過有限元計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析兩種方法獲得。通過模態(tài)試驗(yàn)得到橋梁的實(shí)測振型并與理論振型對比分析，分析并驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)剛度的合理性。

本橋豎向振型擬選取主跨在十六等分點(diǎn)處布置測點(diǎn)，邊跨在二等分點(diǎn)處布置測點(diǎn)，次邊跨在四等分點(diǎn)處布置測點(diǎn)，參考點(diǎn)選在主跨的3/8跨處右側(cè)，即為共29個(gè)測試截面，每個(gè)測試截面分左、右側(cè)布置測點(diǎn)，每側(cè)29個(gè)測點(diǎn)，2個(gè)主塔布置在塔梁結(jié)合處和上橫梁上，左右各布置2個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)66個(gè)測點(diǎn)。截面及測點(diǎn)布置見圖15、圖16。用1臺(tái)儀器同時(shí)測量(參考點(diǎn)位置儀器不動(dòng))，其余11臺(tái)儀器可移動(dòng)測量，分6批次進(jìn)行采集。

圖15 模態(tài)試驗(yàn)截面布置圖(單位：m)

圖16 主梁測點(diǎn)橫截面布置示意圖(單位：m)

豎向模態(tài)測試結(jié)果見表9。

表9 豎向模態(tài)(前6階)測試結(jié)果Table9 Testresultsofverticalmodalofthetopsixsteps階次實(shí)測頻率理論值阻尼比振型特征10.4090.3901.2正對稱豎彎20.5860.5331.1反對稱豎彎30.7750.7183.0扭轉(zhuǎn)40.9090.9265.3正對稱豎彎51.1601.0661.0反對稱豎彎61.2271.1911.9扭轉(zhuǎn)

豎向模態(tài)測試實(shí)測振型圖與理論振型圖(前三階)見圖17～圖22。

圖17 模態(tài)測試1階振型圖(f1=0.409 Hz)

圖18 理論計(jì)算1階振型圖(f1=0.390 Hz)

圖19 模態(tài)測試2階振型圖(f2=0.586 Hz)

圖20 理論計(jì)算2階振型圖(f2=0.533 Hz)

圖21 模態(tài)測試3階振型圖(f3=0.775 Hz)

圖22 理論計(jì)算3階振型圖(f3=0.718 Hz)

由以上圖表分析可知，主梁前三階實(shí)測頻率均大于理論頻率，表明主梁實(shí)測整體剛度均大于設(shè)計(jì)剛度；橋梁振型無異常情況，實(shí)測振型與理論計(jì)算振型吻合，實(shí)測阻尼正常，說明烏江特大橋主橋動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)正常。

4 結(jié)論

本文依托楠木渡烏江特大橋?qū)ι絽^(qū)超寬混凝土斜拉橋荷載試驗(yàn)檢測的技術(shù)難題和關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

a.通過撓度數(shù)據(jù)分析得出主要測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.99之間，各試驗(yàn)工況下主要測點(diǎn)相對殘余撓度在20%范圍內(nèi)，卸載后整體恢復(fù)正常。在試驗(yàn)荷載下，主橋試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度滿足公路-I級(jí)汽車荷載的正常使用要求。

b.試驗(yàn)荷載下，主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.26～0.99之間，各試驗(yàn)工況下主要測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變在20%范圍內(nèi)，卸載后整體恢復(fù)正常。該橋試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(公路—Ι級(jí))的正常使用要求。

c.4#、5#索塔實(shí)測偏位值校驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.97，實(shí)測值均小于計(jì)算值，索塔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

d.通過模態(tài)分析對比，主梁實(shí)測整體剛度均大于設(shè)計(jì)剛度，橋梁振型無異常情況，結(jié)構(gòu)能滿足實(shí)際需求。