獨(dú)塔雙索面斜拉橋靜載試驗(yàn)分析

駱浩光 潘水強(qiáng)

摘 要：文中以某獨(dú)塔雙索面斜拉橋?yàn)槔?，?duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析及現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，測(cè)試其結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：該斜拉橋主要測(cè)點(diǎn)撓度、主塔縱向位移、索力的校驗(yàn)系數(shù)以及殘余變形滿足要求，實(shí)際剛度較設(shè)計(jì)大、結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，但部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足要求，說明其強(qiáng)度儲(chǔ)備不夠，受力性能不足。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;靜載試驗(yàn);校驗(yàn)系數(shù)

中圖分類號(hào)：U446;U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 概述

某橋梁主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔雙索面斜拉橋，跨徑120 m，全長(zhǎng)240 m。主梁為梁板斷面現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，塔梁墩固結(jié)，橋塔為獨(dú)立雙柱型，不設(shè)上橫梁，橋墩雙柱型。主梁從橋塔開始縱向兩側(cè)各18對(duì)拉索，梁上索距為6 m，主梁每跨分19個(gè)梁段，1號(hào)梁段長(zhǎng)13.5 m，2-18號(hào)梁段長(zhǎng)6 m，19號(hào)梁段長(zhǎng)4.37 m，端部有30 cm封錨段。1號(hào)梁段的墩頂部分設(shè)三道橫梁，間距為2.98 m，懸臂部分設(shè)兩道橫梁，間距為2.45 m;2-18號(hào)梁段橫梁間距6 m;主梁根部的邊主梁設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋與墩頂固結(jié)。20、22號(hào)邊墩各設(shè)置四個(gè)3 000 kN的單向活動(dòng)盆式橡膠支座，上、下盆互相設(shè)扣件防止地震及風(fēng)震時(shí)上下盆脫離。

塔柱全高60 m，外形為多邊形獨(dú)柱，橫斷面為單箱雙室的箱形截面，僅在橫橋向?qū)ΨQ，斜拉索軸線偏離縱向形心軸。塔柱在無索區(qū)和塔冠為等截面，在錨固區(qū)因有斜拉索錨固齒板故為變截面。

設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)，掛車-120級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。橋梁立面、斷面布置如圖1～2所示。

1 靜載試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)工況設(shè)置

（1）工況1：第21跨最大正彎矩工況（A-A截面）

工況2：第21跨最大豎向位移工況（B-B截面）

主要測(cè)試項(xiàng)目：①第21跨A-A截面應(yīng)變;②第21跨主梁B-B截面撓度;③部分拉索索力。

（2）工況3：主塔（21#塔）最大彎矩工況（D-D截面）

工況4：主塔（21#塔）塔頂最大縱向位移工況（E-E截面）

主要測(cè)試項(xiàng)目：①主塔（21#塔）D-D截面應(yīng)變;②主塔（21#塔）E-E截面塔頂位移。

（3）工況5：主梁最大負(fù)彎矩工況（C-C截面）

主要測(cè)試項(xiàng)目：①主梁C-C截面應(yīng)變。

各測(cè)試截面布置見圖3。

1.2 試驗(yàn)加載

本次靜載試驗(yàn)以設(shè)計(jì)活載產(chǎn)生的各控制截面的控制內(nèi)力及變形作為加載依據(jù)。試驗(yàn)荷載的最大噸位按照控制截面的試驗(yàn)內(nèi)力和變形達(dá)到設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的0.95～1.05來確定，并以彎矩和變形等效為原則。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，采用20輛重約330 kN的汽車進(jìn)行偏載試驗(yàn)加載，彎矩及變形的加載效率為0.94～1.03，滿足規(guī)范的要求（0.95<η≤1.05）。

正式加卸載步驟分為4級(jí)加載和1級(jí)卸載，加載前需進(jìn)行預(yù)加載。加載載位現(xiàn)場(chǎng)布置見圖4。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

1.3.1 撓度及支點(diǎn)沉降觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)撓度觀測(cè)采用精密電子水準(zhǔn)儀及激光撓度儀進(jìn)行，其中右側(cè)縱向測(cè)點(diǎn)采用激光撓度儀在橋面布點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，撓度控制截面處橋梁中央分隔帶兩側(cè)采用精密電子水準(zhǔn)儀在橋面布點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇穩(wěn)定、不發(fā)生沉降的后視點(diǎn)作為撓度基準(zhǔn)點(diǎn)。本次測(cè)量共布設(shè)19個(gè)撓度觀測(cè)點(diǎn)，見圖5。

1.3.2 主塔位移觀測(cè)

主塔位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)在21#主塔的頂端，采用全站儀觀測(cè)各級(jí)荷載作用下21#主塔的縱向位移變化及恢復(fù)情況，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為E1和E2。

1.3.3 應(yīng)變觀測(cè)

應(yīng)變觀測(cè)主要針對(duì)各個(gè)荷載工況下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面（A、C、D截面），主要截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖6～8所示。為了盡量降低溫度對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響，試驗(yàn)選擇在晚上溫度較為穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行。

1.3.4 索力測(cè)試

索力測(cè)試采用振動(dòng)頻率法進(jìn)行，對(duì)各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下21#塔小里程方向的9～11#斜拉索（共6根）的索力進(jìn)行測(cè)試，分析試驗(yàn)加載過程的索力變化情況。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 撓度

在工況2荷載作用下，主要測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算見表1。

由表1的數(shù)據(jù)顯示可知，在工況2荷載作用下，撓度控制截面測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)位于0.766～0.822之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1。

1.4.2 主塔位移觀測(cè)

在工況4荷載作用下，主塔主要測(cè)點(diǎn)的縱向位移校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算見表2。

由表2的數(shù)據(jù)顯示可知，在工況4荷載作用下，主塔控制截面測(cè)點(diǎn)的縱向位移校驗(yàn)系數(shù)位于0.666～0.722之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1。

1.4.3 應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試結(jié)果

在工況1、3、5荷載作用下，主要測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算見表3～5。

在工況1荷載作用下，控制截面主要測(cè)點(diǎn)（A4、A5、A19、A20）的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.731～0.826之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求。在工況3荷載作用下，控制截面主要測(cè)點(diǎn)（DR1、DR2、DR6、DR7）的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.724～1.000之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求。在工況5荷載作用下，控制截面主要測(cè)點(diǎn)（C4、C5、C19、C20）的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在1.012～1.166之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)大于1，不滿足規(guī)范要求。

1.4.4 索力

在工況1、2荷載作用下，主塔典型索主要測(cè)點(diǎn)的索力校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算見表6。

表6 荷載作用下典型索索力增量的實(shí)測(cè)值和

計(jì)算值比較（kN）

測(cè)點(diǎn) 數(shù)值

類型 試驗(yàn)工況1、2 最大彈

性撓度 實(shí)測(cè)值/計(jì)算值（Se/Sstat）

4級(jí)加載 卸載階段

2L9 實(shí)測(cè)值 356.38 41.26 315.12 0.756

計(jì)算值 417 / 417

2L10 實(shí)測(cè)值 336.47 17.14 319.33 0.839

計(jì)算值 380.8 / 380.8

2L11 實(shí)測(cè)值 317.14 10.05 307.10 0.820

計(jì)算值 374.4 / 374.4

在工況1、2荷載作用下，主塔典型索索力校驗(yàn)系數(shù)位于0.756～0.839之間，主要測(cè)點(diǎn)靜力荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)均小于1。

1.4.5 殘余變形及應(yīng)變

試驗(yàn)結(jié)束前對(duì)試驗(yàn)橋跨進(jìn)行了殘余變形和殘余應(yīng)變觀測(cè)，各主要測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變位及相對(duì)殘余應(yīng)變均未超過20%，檢測(cè)橋跨的殘余變形和殘余應(yīng)變值均能滿足規(guī)范中關(guān)于殘余變位和殘余應(yīng)變的要求，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

1.5 結(jié)果分析及評(píng)定

通過對(duì)該橋的撓度、應(yīng)變、主塔位移、索力的實(shí)測(cè)及計(jì)算分析可知，靜載試驗(yàn)荷載效率介于0.95～1.05之間，滿足規(guī)范的要求，試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)可反映設(shè)計(jì)規(guī)范基本可變荷載效應(yīng)的特征。橋梁主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍分布在0.666～1.166之間，主要測(cè)點(diǎn)撓度、主塔縱向位移、索力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，部分應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)大于1;卸載后，測(cè)試截面應(yīng)變、撓度及位移測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余小于20%，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。由此可知，在靜載試驗(yàn)中，該橋的主要力學(xué)控制指標(biāo)（校驗(yàn)系數(shù)）不滿足規(guī)范要求，橋梁正常使用性能不能滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。

2 結(jié)論

（1）試驗(yàn)荷載作用下，主要測(cè)點(diǎn)撓度、主塔縱向位移、索力校驗(yàn)系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求，說明橋梁實(shí)際剛度較設(shè)計(jì)大;橋梁相對(duì)殘余均滿足要求，說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。

（2）試驗(yàn)荷載作用下，部分主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)大于1，不滿足規(guī)范要求，說明橋梁強(qiáng)度儲(chǔ)備不夠，受力性能不足;從維持結(jié)構(gòu)使用功能及安全的角度出發(fā)，建議立即對(duì)該橋進(jìn)行限載，及時(shí)出具維修加固方案，橋梁維修加固后方可恢復(fù)原交通。

（3）斜拉橋作為超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，該橋由于運(yùn)營(yíng)年限久、材料老化、荷載負(fù)荷大等原因而出現(xiàn)部分病害，從而導(dǎo)致橋梁個(gè)別指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，強(qiáng)度儲(chǔ)備不夠，受力性能下降等現(xiàn)象，值得各界重視。

（4）基于上述結(jié)論，建議對(duì)現(xiàn)有斜拉橋進(jìn)行全面的隱患排查，并做好日常管養(yǎng)及定期檢查，以確保橋梁正常及安全的運(yùn)營(yíng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許肇峰，陳映貞，王強(qiáng).部分斜拉橋靜載試驗(yàn)分析[J].廣東公路交通，2012（3）：14-17.

[2]陳科強(qiáng)，王泉清.G325九江大橋主橋斜拉橋靜載試驗(yàn)分析[J].廣東公路交通，2007（2）：1-4.

[3]王偉.寬幅矮塔斜拉橋成橋荷載試驗(yàn)研究[J].公路，2015（10）：72-78.