雙塔單索面矮塔斜拉橋荷載試驗(yàn)承載能力評估

彭放枚 侯攀

摘 要：本文對矮塔斜拉橋進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，測試內(nèi)容包括關(guān)鍵截面應(yīng)變、主梁撓度、索塔位移、斜拉索索力、沖擊系數(shù)、自振特性等。同時(shí)，將試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)該橋的實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好，能為同類型橋梁的設(shè)計(jì)及荷載試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋;靜載試驗(yàn);動(dòng)載試驗(yàn);承載能力

Abstract： In this paper， the static and dynamic load test of low pylon cable-stayed bridge was carried out， including the key section strain， main beam deflection， cable tower displacement， cable force， impact coefficient， natural vibration characteristics， etc. At the same time， by comparing the test results with the theoretical results， it found that the actual bearing capacity of the bridge meets the design and specification requirements， and the overall working performance of the structure is good， which can provide reference for the design and load test of the same type of bridge.

Keywords： low pylon cable-stayed bridge; static load test; dynamic load test; load-carrying capacity

矮塔斜拉橋是介于斜拉橋和連續(xù)梁之間的一種組合體系橋型。雖然該橋型的誕生僅有40多年，但其以一定跨徑范圍內(nèi)的高性價(jià)比和良好的景觀效果，贏得了橋梁設(shè)計(jì)者和主管部門決策者的青睞[1]。

矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)受力融合了連續(xù)梁和斜拉橋的特點(diǎn)，剛?cè)岵?jì)，以主梁的受彎、受壓以及斜拉橋的受拉共同承受荷載。由于其受力復(fù)雜，因此，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力狀況往往存在一定的偏差。建成后的橋梁受多種因素影響，實(shí)際狀況往往與理論設(shè)計(jì)存在一定的差異。對于新建成或既有橋梁，通過荷載試驗(yàn)，能了解在實(shí)際荷載作用下，橋梁整體工作狀況及各構(gòu)件的實(shí)際受力狀態(tài)，通過構(gòu)件的反應(yīng)判斷橋梁是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體評價(jià)，為橋梁的運(yùn)營、維修加固提供科學(xué)可靠的依據(jù)[2]。

本文以某新建雙塔單索面矮塔斜拉橋?yàn)槔?，通過荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證該橋?qū)嶋H承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]，通過試驗(yàn)結(jié)果的分析比較，為同類型的橋梁荷載試驗(yàn)提供參考依據(jù)，為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供真實(shí)的結(jié)構(gòu)案例。

1 工程概況

廣西某沿海城市大橋，采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋橋型，塔梁固結(jié)，跨徑為52 m +85 m +52 m，橋面寬35 m。公路-Ⅰ級(jí)荷載，人群荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)范采用。主梁采用變截面單箱五室大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用C50混凝土。索塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全高18 m，有效高度15.4 m，為主跨的1/5.5。斜拉索為單索面，扇形布置，橫橋向布置在中央分隔帶上，共布置兩排，間距為0.7 m，斜拉索梁上間距為3.5 m，塔上間距為1.0 m。全橋共有拉索28根。橋型布置如圖1所示，橫斷面布置圖如圖2所示。

2 試驗(yàn)方案的確定

2.1 有限元計(jì)算

采用MIDAS Civil建立空間有限元模型，如圖3所示。同時(shí)，考慮支座、承臺(tái)及橋墩，主梁、主塔、橋墩采用梁單元模擬，斜拉橋采用桁架單元模擬。全橋共采用179個(gè)節(jié)點(diǎn)、160個(gè)單元。建模時(shí)采用以下假設(shè)：①混凝土為理想彈性材料，混凝土的彈性模量為常數(shù);②截面變形符合平截面假設(shè);③不考慮混凝土鋪裝層、橫隔板、齒塊的剛度，但考慮其質(zhì)量;④不考慮防撞護(hù)欄的強(qiáng)度和剛度，但考慮其質(zhì)量。此外，邊界條件、材料及截面參數(shù)均根據(jù)竣工圖紙以及相關(guān)規(guī)范確定。按照上述原則建立有限元模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下內(nèi)力的響應(yīng)，選取內(nèi)力最大的截面作為控制截面。

2.2 試驗(yàn)截面選取

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)行規(guī)范以及試驗(yàn)現(xiàn)場的便捷性等綜合因素，選取如圖1所示的邊跨最大正彎矩A/D截面、中跨跨中最大正彎矩C截面、1#墩墩頂附近最大負(fù)彎矩B截面、1#主塔塔頂最大縱向位移E截面，共5個(gè)截面作為本次試驗(yàn)的控制截面。

2.3 靜載試驗(yàn)方案的優(yōu)化與確定

選擇試驗(yàn)用車輛時(shí)，結(jié)合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果和《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第5.4.6條的規(guī)定[4]。為方便試驗(yàn)車輛的租賃，選用目前市面上最常見的自卸車，總重控制在（300±10） kN，單軸重控制在14 kN以內(nèi)，軸距通常為4 m（前中軸距）+1.4 m（中后軸距）。

試驗(yàn)采用控制截面的靜載試驗(yàn)荷載效率進(jìn)行控制，以最不利截面為試驗(yàn)加載控制截面，各工況下試驗(yàn)所需加載車輛的數(shù)量及加載位置，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按式（1）所定原則等效換算而得[4]：

由于該橋地處交通要塞，試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)開始試運(yùn)營，因此，試驗(yàn)選擇夜晚進(jìn)行。由于試驗(yàn)時(shí)間有限，為此，需要優(yōu)化加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間。由于橋面人行道較寬以及護(hù)欄設(shè)置影響加載位置，根據(jù)計(jì)算分析，偏載工況和中載工況的響應(yīng)無明顯區(qū)別，故本次試驗(yàn)確定進(jìn)行5個(gè)中載工況。經(jīng)過不斷試算和優(yōu)化，將5個(gè)試驗(yàn)工況合并為3個(gè)試驗(yàn)工況，加載效率控制在0.86～1.03，滿足規(guī)范要求，如表1所示。

2.4 測點(diǎn)布置及方法

應(yīng)變、位移測點(diǎn)布置的原則遵循規(guī)范《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第5.5條的規(guī)定[4]。測點(diǎn)布置如圖4所示。

2.4.1 應(yīng)變測試。截面應(yīng)變測點(diǎn)布置原則按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第5.5條的規(guī)定[4]。本次試驗(yàn)采用電阻式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測量，電阻為（119.9±0.1）Ω，靈敏系數(shù)為（2.08±1）%。采用三線制的1/4橋接線方式、溫度自補(bǔ)償模式。應(yīng)變測試截面是圖1中的A/B/C/D截面，其中A/B/D截面的應(yīng)變測點(diǎn)布置在箱梁外表面，C截面測點(diǎn)布置在箱梁內(nèi)表面，應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖4所示，全橋共布置了32個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。

2.4.2 位移測試。主梁位移測點(diǎn)布置在各控制截面以及支座截面上，位移測試截面是圖1中的A/C/D/E截面。測點(diǎn)橫橋向布置位置如圖4所示。主塔位移測點(diǎn)布置在1#主塔塔頂，布置專用棱鏡。本次試驗(yàn)全橋共布置23個(gè)位移測點(diǎn)。

2.4.3 索力測試。全橋共計(jì)28根斜拉索，單根斜拉索采用31-?s15.2環(huán)氧全噴涂鋼絞線。由于索體外側(cè)采用了哈弗套管，在無破損的情況下，無法采用頻率法，故本次測試采用施工監(jiān)控過程中安裝在錨固區(qū)的壓力傳感器進(jìn)行測量，在試驗(yàn)前、后的空載狀態(tài)，分別對全橋恒載索力進(jìn)行測試，在加載試驗(yàn)過程中，選擇各工況最不利的斜拉索進(jìn)行測試，測試最不利狀況下索力的增量情況。

2.4.4 裂縫觀測。試驗(yàn)前對全橋進(jìn)行外觀檢查，查看是否存在裂縫，安裝裂縫測寬儀監(jiān)測試驗(yàn)過程中裂縫寬度的變化，同時(shí)在試驗(yàn)過程中，安排人員對主要受力部位進(jìn)行巡查，觀察是否存在新增裂縫。

2.5 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是測量橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動(dòng)力響應(yīng);二是測量在車輛動(dòng)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)指定斷面上的動(dòng)應(yīng)變和響應(yīng)。主要試驗(yàn)內(nèi)容為脈動(dòng)試驗(yàn)（結(jié)構(gòu)自振特性）和跑車試驗(yàn)。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析與判定

3.1 主梁應(yīng)變測試結(jié)果

在各靜載試驗(yàn)工況作用下，主梁的應(yīng)變測試結(jié)果如表2所示。從表2可知：各試驗(yàn)控制截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.523～0.851，均小于1，說明試驗(yàn)截面的實(shí)際強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;相對殘余應(yīng)變最大值為12%，均小于20%，說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況作用下處于彈性受力狀態(tài)。

主梁各控制截面應(yīng)變橫向分布如圖5所示。從圖5可知：應(yīng)變片貼在箱室外表面的A、B、D截面測試的結(jié)果離散性比C截面各測點(diǎn)的離散性小，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是箱梁外表面施工平整，內(nèi)表面平整度較差。

3.2 主梁位移測試結(jié)果分析

在各靜載試驗(yàn)工況作用下，主梁的撓度測試結(jié)果見表3，撓度測試曲線見圖6。從表3可知：主梁控制截面位移校驗(yàn)系數(shù)在0.448～0.669，均小于1，說明試驗(yàn)截面的實(shí)際剛度滿足設(shè)計(jì)要求;主梁跨中最大實(shí)測撓度為9.23 mm（下?lián)希∮谠试S最大撓度值170 mm（L/500），滿足規(guī)范要求;最大相對殘余撓度為9%，小于20%，說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況作用下處于彈性受力狀態(tài)。

3.3 主塔位移測試結(jié)果分析

在靜載試驗(yàn)工況二的作用下，1#橋塔塔頂縱橋向位移向跨中偏移5.1 mm，理論值為6.2 mm，縱橋向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.823，相對殘余位移為6.2%。這說明橋塔具有一定的安全儲(chǔ)備，呈彈性工作狀態(tài)。

3.4 索力測試結(jié)果分析

在恒載作用下，實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力的偏差在-309～253 kN，位于-9%～8%，在規(guī)范要求的誤差范圍內(nèi)（±10%），對稱的拉索索力基本一致。

在靜載試驗(yàn)工況作用下，索力的變化量很小，基本與恒載作用下的索力一致，主要是因?yàn)樵摌虺蕪?qiáng)梁弱索狀態(tài)，主梁的剛度偏大，活載作用下引起的拉索索力變化很小。

3.5 裂縫觀測結(jié)果

試驗(yàn)前未發(fā)現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)新增裂縫。

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析與判定

4.1 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)構(gòu)自振特性是通過測試橋梁的自振頻率、振型及阻尼比等參數(shù)綜合判定橋梁的動(dòng)力特性，橋梁自振頻率的變化不僅能反映結(jié)構(gòu)的損傷情況，而且能反映結(jié)構(gòu)的整體性能和受力體系的改變。通過了解結(jié)構(gòu)在恒載狀況下的固有特性，結(jié)合靜載試驗(yàn)結(jié)果，可綜合評價(jià)橋梁的整體動(dòng)力性能[5]。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，該橋自振特性試驗(yàn)的測點(diǎn)布置在邊跨跨中、中跨四分點(diǎn)（見圖7），5個(gè)測點(diǎn)可測出橋梁的前三階自振頻率、振型及阻尼比。測試結(jié)果如表4所示。振型測試結(jié)果如圖8所示。

從表4可以看出，自振頻率實(shí)測值較理論值高，比值在1.032～1.283，表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際整體剛度大于理論剛度;從圖8可以看出，實(shí)測振型曲線與理論振型曲線基本一致，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際受力體系與理論一致。

4.2 跑車試驗(yàn)測試結(jié)果

跑車試驗(yàn)是通過實(shí)際車輛模擬過橋，測試在移動(dòng)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)指定斷面上的動(dòng)力響應(yīng)（應(yīng)變/位移波動(dòng)幅度、沖擊系數(shù)等參數(shù)）。該橋的跑車試驗(yàn)截面選擇最不利截面，即中跨跨中截面，布置3個(gè)動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，進(jìn)行橋面無障礙跑車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，截面的整體應(yīng)變較小，為了提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，跑車試驗(yàn)采用兩輛車并列行駛的方式進(jìn)行。兩輛車分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h和50 km/h的速度勻速通過橋梁。實(shí)測動(dòng)應(yīng)變沖擊系數(shù)結(jié)果見表5。結(jié)果表明：該橋的實(shí)測沖擊系數(shù)介于0.010～0.086，沖擊系數(shù)與車速的大小變化無線性關(guān)系。

5 結(jié)語

本文以一座比較典型的矮塔斜拉橋?yàn)槔M(jìn)行較全面的靜動(dòng)載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

①試驗(yàn)作用下，主梁的撓度、應(yīng)變、主塔位移、索力等參數(shù)在分級(jí)加載過程中線性關(guān)系良好，相對殘余變形及應(yīng)變均小于20%，結(jié)構(gòu)接近于線彈性工作狀態(tài)。

②主梁位移校驗(yàn)系數(shù)在0.448～0.669，主梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.523～0.851，主梁跨中最大實(shí)測撓度為9.23 mm，主塔位移校驗(yàn)系數(shù)為0.823，表明結(jié)構(gòu)具有良好的安全性。

③在活載作用下，索力的變化量很小，基本與恒載作用下的索力一致。

④橋梁測試自振頻率大于理論值，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較理論剛度大;結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力體系與理論基本一致。

⑤該橋的實(shí)測沖擊系數(shù)介于0.010～0.086，沖擊系數(shù)與車速的大小變化無線性關(guān)系。

⑥該矮塔斜拉橋在試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)截面的應(yīng)變和撓度均在理論分析的合理范圍內(nèi)，且結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能較好，表明該橋的實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)活載（公路-I級(jí)）的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳從春，周海智，肖汝誠.矮塔斜拉橋研究的新進(jìn)展[J].世界橋梁，2006（1）：70-73.

[2]申磊，胡鋒，崔文濤.某大跨徑雙塔單索面矮塔斜拉橋動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].公路，2021（2）：124-128.

[3]楊茂華，黎東龍.某矮塔單索面斜拉橋荷載試驗(yàn)分析[J].公路與汽運(yùn)，2019（4）：139-145.

[4]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程：JTG/T J21-01—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[5]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/T J21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.