雙塔單索面預應(yīng)力混凝土斜拉橋荷載試驗分析

■賴錦興

（福建省交通科技發(fā)展集團有限責任公司，福州 350004）

20 世紀90 年代以來，隨著預應(yīng)力理論的發(fā)展，鋼材性能的不斷提升，預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋在我國發(fā)展迅速。 預應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁具有較強的跨越能力，在跨江、跨河、跨溝壑山谷中較常使用。 但隨著跨徑的增長，大跨結(jié)構(gòu)普遍存在“腹板開裂”“跨中下?lián)稀焙汀胺呛奢d裂縫增長”的問題。 矮塔斜拉橋的提出，是為了解決大跨徑連續(xù)箱梁跨中下?lián)系囊环N組合結(jié)構(gòu)。 相較于普通變截面連續(xù)箱梁橋，矮塔斜拉橋通過斜拉索的拉力效果，具有更大的跨越能力，同時能夠通過調(diào)節(jié)斜拉索的索力緩解上述的常見問題。

在橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中， 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)各式各樣，在為人民的交通出行提供便捷服務(wù)的同時，也使得人民的生活越來越依賴于這些橋梁[1-3]。 在大型、新穎結(jié)構(gòu)橋梁大發(fā)展的同時，諸多學者將研究重點放在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structure Health Monitoring，簡稱SHM）上，而在SHM 監(jiān)測中， 首先需要獲取的就是橋梁結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)信息[4-6]。 為了獲得結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)信息，通常都需要對結(jié)構(gòu)進行荷載試驗， 以便全面了解橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下控制斷面的應(yīng)力、撓度等信息，從而推斷、分析橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實際工作、受力狀態(tài)[7-9]。

本文以福建省某座雙塔單索面預應(yīng)力混凝土斜拉橋荷載試驗項目為依托，采用Midas/Civil 有限元軟件建立有限元模型，通過分析得到橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的控制截面應(yīng)力、 撓度理論值以及在動載作用下的結(jié)構(gòu)振動振型等信息， 并將實測值與理論值進行比對分析， 從而實現(xiàn)對該橋狀況的初始評定。

1 橋梁概況

依托橋梁全長為554 m，主橋長260 m（位于全橋的第4、5、6 跨）， 橋跨結(jié)構(gòu)為70 m+120 m+70 m預應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。 主梁為C60 全預應(yīng)力鋼筋混凝土箱型梁結(jié)構(gòu)， 主梁采用變截面單箱三室斷面。 頂板寬23 m，頂板懸臂長度4 m，跨中梁高2.5 m，主墩頂梁高4.5 m，梁底曲線采用二次拋物線。 大橋設(shè)計荷載為公路-I 級。 主塔布置在中央分隔帶上，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、矩形截面，塔高19 m，斜拉索采用單索面雙排索布置，全橋共32 對斜拉索。 大橋立面和主塔橫斷面如圖1、2所示。

圖1 大橋工程總體布置圖

圖2 主塔橫斷面布置圖

為檢驗結(jié)構(gòu)承載能力， 針對依托工程開展理論計算和試驗研究，分析橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際受力狀態(tài)、工作狀況，分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性以及長期使用荷載作用下的動力性能，為今后運營、養(yǎng)護、管理提供結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 有限元模型的建立

為建立全橋的三維桿件體系， 對大橋整體受力情況分析計算， 采用大型有限元計算軟件（MIDAS/Civil）對大橋進行建模，模型如圖3 所示。 本次有限元模型的建立基于以下幾點假設(shè)：（1）建立主橋成橋狀態(tài)時斜拉索采用僅受拉的桁架單元模擬；（2）箱梁及塔、墩等主要構(gòu)件均采用空間梁單元模擬；（3）主梁與拉索間采用添加剛臂的方式模擬，產(chǎn)生協(xié)同位移。大橋主橋活載計算內(nèi)力圖如圖4所示。

圖3 主橋MIDAS/Civil 有限元模型示意圖

圖4 大橋主橋活載計算內(nèi)力圖（中載工況）

3 橋梁靜載試驗結(jié)果及評定

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗主要是通過在橋梁上施加與設(shè)計荷載或者使用荷載基本相當?shù)耐獠亢奢d， 用測試儀測得橋梁控制斷面在靜載作用下的應(yīng)力、 位移等特征信息，進而對結(jié)構(gòu)的實際工作狀況進行評判。

3.1 主要試驗工況及加載效率

根據(jù)設(shè)計文件要求， 試驗荷載按照1.3 倍正常使用荷載在控制截面所產(chǎn)生的彎矩值確定， 取設(shè)計活載效的最大值作為本次試驗的荷載控制值。 設(shè)計荷載按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的公路-I 級人群荷載取值。 根據(jù)產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應(yīng)值，等效換算靜態(tài)試驗荷載，確定試驗所需的加載車輛數(shù)量、噸位和輪位布置坐標。

通過計算分析本次試驗采用等效荷載的原則布載， 需采用10 輛重約35 t 的雙后軸車輛進行等效加載。 本橋靜載試驗共分為5 個試驗工況，各試驗工況下的荷載效率如表1 所示。

表1 靜載試驗各試驗項目荷載效率結(jié)果匯總

3.2 靜載試驗測試結(jié)果與分析

本次試驗應(yīng)變測試采用型號規(guī)格為DH3819的靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，撓度測試采用LEICA 水準儀以及蘇州一光DS05 水準儀， 位移測試采用TOPCON 全站儀。

3.2.1 撓度測試結(jié)果分析

在各試驗加載工況作用下，各控制截面的橋面撓度的實測值及其理論值的比較如表2 所示。

表2 大橋各控制截面撓度分析

從表2 可知，各加載工況下，主橋橋面撓度實測值均小于理論計算值。 各測試截面實測的撓度校驗系數(shù)為0.75～0.96，相對殘余撓度最大值為9.5%，滿足規(guī)范要求?？缰凶畲笙?lián)现禐?.56 mm，遠遠小于L/1600=120/1600=0.075 m=75 mm。

3.2.2 應(yīng)變測試結(jié)果分析

在試驗加載工況1 作用下，控制截面的應(yīng)變實測分級加載曲線及其理論值的結(jié)果對比分析如圖5、6 所示。 各加載工況下，整體箱梁應(yīng)變實測值均小于理論值。 各測試截面實測的應(yīng)變校驗系數(shù)為0.45～0.93，相對殘余應(yīng)變最大值為18.2%，滿足規(guī)范要求，箱梁梁體、塔柱結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好。

圖5 1# 測點工況1 實測應(yīng)變與荷載效率關(guān)系

圖6 工況1 箱梁應(yīng)變測試結(jié)果對比分析

3.2.3 主塔偏位測試結(jié)果分析

在試驗加載工況作用下， 塔頂水平位移實測值最大為2.27 mm，小于理論值2.64 mm，實測的校驗系數(shù)為0.86～0.93， 相對殘余撓度最大值為2.0%，小于20%。

3.2.4 索力測試結(jié)果分析

對于成橋后的索結(jié)構(gòu)， 目前采用弦振動理論，在試驗加載工況作用下，測得4-D-Z-C8 斜拉索索力值為167 kN， 小于理論值180 kN， 滿足規(guī)范要求，斜拉索工作性能良好。

該橋在靜載作用下， 各加載工況， 整體箱梁撓度、應(yīng)變實測值均小于理論計算值。測試截面實測校驗系數(shù)主要均處于《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）規(guī)定的常值范圍0.40～0.80，相對殘余應(yīng)變最大值小于該規(guī)程規(guī)定的20%，箱梁梁體、塔柱結(jié)構(gòu)、斜拉索等的整體工作性能良好。斜拉索對抵抗車輛荷載產(chǎn)生的跨中下?lián)暇哂忻黠@的貢獻。 塔柱整體剛度滿足設(shè)計要求，能夠抵抗索結(jié)構(gòu)的偏拉。

4 橋梁動載試驗結(jié)果及評定

動載試驗內(nèi)容主要包括：（1）結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)試驗， 測試橋梁主梁結(jié)構(gòu)豎向前4 階的自振頻率、阻尼比和振型，阻尼比可根據(jù)半功率帶寬法計算獲得；（2）動力響應(yīng)試驗，測試無障礙行車作用下結(jié)構(gòu)的最大動應(yīng)變和沖擊系數(shù)，采用應(yīng)變計和采集系統(tǒng)測試控制截面的動應(yīng)變，進而計算不同試驗工況下的沖擊系數(shù)。

4.1 自振特性測試與分析

采用脈動法 （環(huán)境隨機振動法）， 通過脈動試驗，記錄結(jié)構(gòu)測點豎向振動時域信號，通過傅里葉快速分析，獲得頻譜分析結(jié)果，得到橋跨結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率，了解橋跨結(jié)構(gòu)豎向自振特性。理論前4階豎向彎曲振型如圖7 所示。

圖7 理論計算大橋前4 階豎向彎曲振型

在橋跨的四等分點跟八等分點截面相對應(yīng)的橋面上，沿道路單側(cè)放置脈動測點傳感器。 拾振器擺放位置如圖8 所示。

圖8 拾振器縱向擺放圖

實測的信號經(jīng)FFT 分析、模態(tài)分析，得到大橋主橋橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性前4 階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較（表3）、跨中測點時域波形圖和頻譜圖（圖9）以及振型（圖10）。

表3 大橋上部結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)

圖9 主橋測點時域波形圖和頻譜圖

圖10 實測大橋前4 階豎向彎曲振型

4.2 動力響應(yīng)試驗測試與分析

橋梁沖擊系數(shù)與橋梁固有頻率、 結(jié)構(gòu)阻尼比、行車速度以及車輛數(shù)有關(guān)， 受橋面平整度影響最大。 根據(jù)現(xiàn)場實際情況及合同要求，主橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)性能試驗（跑車試驗）。 跑車試驗在不同車速勻速跑車工況下，進行測試截面動應(yīng)變測試，根據(jù)動應(yīng)變時程曲線對橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)性能進行分析。

現(xiàn)場采用2 輛靜載試驗載重汽車以10～40 km/h不同的車速通過主橋橋跨結(jié)構(gòu)，1 輛加載車輛以10～40 km/h 不同的車速通過引橋橋跨結(jié)構(gòu)， 應(yīng)用INV3062C 測試中跨跨中截面的動應(yīng)變， 分析其沖擊系數(shù)。 在不同車速情況下，測得大橋的沖擊系數(shù)和動應(yīng)變?nèi)绫? 所示，實測數(shù)據(jù)如圖11 所示。

表4 主橋跨中截面沖擊系數(shù)和動應(yīng)變

圖11 不同車速情況下跑車試驗動應(yīng)變時程圖

該橋在動載作用下，主橋?qū)崪y豎向自振頻率均大于理論計算值，主橋?qū)崪y振型和理論振型一致，結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，具有一定的剛度儲備。阻尼比為0.465%～1.793%，該橋當前阻尼比相對較小，表明橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境振動下為小阻尼振動， 結(jié)構(gòu)振動衰減較慢，耗散外部能量輸入能力較弱。

5 結(jié)論

通過對該雙塔單索面預應(yīng)力混凝土斜拉橋進行成橋荷載試驗，可以得出以下結(jié)論：（1）今后開展矮塔斜拉橋荷載試驗檢測，應(yīng)通過分析現(xiàn)場施工工序以及工法，準確模擬索結(jié)構(gòu)與梁體之間、塔柱與梁體之間的連接方式，施加設(shè)計活載，獲得較為真實的理論計算值， 這是試驗評價是否準確的關(guān)鍵；（2）矮塔斜拉橋開展荷載試驗，必須開展的檢測項目包括檢測主梁、塔柱以及斜拉索受力性能的靜載試驗和動載試驗，其中檢測荷載工況下索結(jié)構(gòu)的受力狀況是分析組合結(jié)構(gòu)共同受力的關(guān)鍵；（3）理論沖擊系數(shù)是基于結(jié)構(gòu)基頻計算， 簡化了結(jié)構(gòu)分析，忽略了現(xiàn)場車-橋頻率耦合作用以及橋面平整度等影響因素。 由于影響因素較多，實測沖擊系數(shù)與理論計算值存在一定的差異。

經(jīng)過在依托橋梁上施加與設(shè)計荷載或者使用荷載基本相當?shù)耐獠亢奢d，分析其靜態(tài)、動力兩個方面的理論值與實測數(shù)據(jù)，各項指標、特征均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求；表明該橋目前的結(jié)構(gòu)受力是合理的，也與設(shè)計理論相符合。 同時，該橋的荷載試驗方法也可為類似結(jié)構(gòu)的橋梁提供借鑒。