獨(dú)塔混合梁斜拉橋動(dòng)靜載試驗(yàn)檢測(cè)

謝俊

（江西省交通科學(xué)研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

根據(jù)相關(guān)規(guī)程收集既有橋梁的技術(shù)資料，并進(jìn)行全面檢查和理論分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)承載能力作出科學(xué)判斷，這一過程需要收集的數(shù)據(jù)資料較多，分析過程繁瑣。為對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)承載性能評(píng)價(jià)，橋梁荷載試驗(yàn)是公認(rèn)的最直接、最有效，也最具說服力的橋梁結(jié)構(gòu)承載性能評(píng)價(jià)技術(shù)。橋梁靜載試驗(yàn)主要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮头桨?，將靜止荷載作用于指定橋梁結(jié)構(gòu)位置，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)靜力應(yīng)變、位移，裂縫、沉降等參數(shù)的取值觀測(cè)，將觀測(cè)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行比較，以判斷橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載性能和工作性能。靜載試驗(yàn)通常通過車輛等加載設(shè)備從零開始逐步分級(jí)遞增加載，并直至設(shè)計(jì)荷載。通過靜載試驗(yàn)，既能全面了解橋梁結(jié)構(gòu)特性，又能直接解決橋梁結(jié)構(gòu)靜力問題，并為動(dòng)載試驗(yàn)提供結(jié)構(gòu)特性參數(shù)等前提條件。

1 工程概況

某橋梁為曲獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉-懸臂組合橋結(jié)構(gòu)，主塔為鋼混H形塔，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形和π形組合梁，橋面設(shè)計(jì)寬度為2.0m人行道+1.5m索區(qū)+22.0車行道+1.5m索區(qū)+2.0m人行道。橋梁塔、墩、梁固結(jié)設(shè)計(jì)，斜拉索為雙面索結(jié)構(gòu)，各個(gè)索面斜拉索均設(shè)置為9對(duì)；順橋向主塔采用曲線斜塔形式，塔背內(nèi)側(cè)上部及下部分別為半徑400m和118m的圓曲線；橫橋向則為A形設(shè)計(jì)，橋梁受力情況復(fù)雜。該橋梁在運(yùn)行的過程中，橋面結(jié)構(gòu)振動(dòng)不斷加劇，越來越不利于安全舒適行車，為此，橋梁管理部門決定對(duì)該橋梁實(shí)施動(dòng)靜載試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)實(shí)際承載性能，并為結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

該獨(dú)塔混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)理論分析主要在ANSYS有限元分析模型及橋梁博士軟件的基礎(chǔ)上構(gòu)建分析模型[1]，前者主要建立起主梁采用板、主塔采用梁、拉索受拉桿單元，并通過調(diào)整材料密度以進(jìn)行二期恒載及成橋內(nèi)力狀態(tài)、幾何偏差設(shè)計(jì)圖、橋梁監(jiān)控報(bào)告等的模擬；后者則在充分考慮塔梁固結(jié)位置位移協(xié)調(diào)、拉索垂度等影響下，通過拉索角度修正拉索傾斜所引起的內(nèi)力變化。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

考慮到車輛荷載車源豐富、加載卸載方便迅速，故本次試驗(yàn)使用數(shù)輛30t載重汽車并按等效荷載原則展開試驗(yàn)，載重汽車數(shù)量及加載車輛位置主要根據(jù)影響線確定。在選擇荷載試驗(yàn)車輛時(shí)還應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行車輛稱重，將試驗(yàn)所用車輛和試驗(yàn)方案所規(guī)定的車輛重量差控制在5%以內(nèi)；同時(shí)選用與標(biāo)準(zhǔn)車輛軸距接近的車輛。荷載工況選擇時(shí)既要能反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利的受力狀況，又要能滿足橋梁承載力鑒定的要求，還要考慮試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)費(fèi)用等。

靜載試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括試驗(yàn)荷載下應(yīng)力控制截面應(yīng)變、橋跨變形趨勢(shì)規(guī)律、主塔位移、拉索索力變動(dòng)、π形梁主梁橫隔梁間試驗(yàn)荷載的分配規(guī)律等。就測(cè)試工具或方法而言，應(yīng)變測(cè)量主要通過電阻應(yīng)變片和應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；拉索索力測(cè)量則在頻率測(cè)定法的基礎(chǔ)上充分結(jié)合材料彈性模量所對(duì)應(yīng)的斜拉索力增量；位移測(cè)量則主要應(yīng)用高精度全站儀；主塔、梁體和斜拉索溫度測(cè)量則通過紅外溫度計(jì)。靜載試驗(yàn)工況主要選擇主梁孔跨中正彎矩最大、主梁墩頂支點(diǎn)負(fù)彎矩最大、主塔塔頂縱橋向水平變位最大及踏腳截面彎矩最大等工況；并以中孔跨中周圍拉索拉力最大、主梁撓度最大、輔助墩豎向反力最大等為附加工況。

動(dòng)載試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括斜拉橋阻尼特性、自振頻率、沖擊系數(shù)等，并主要通過速度拾振器結(jié)合信號(hào)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集和分析，并最終得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)力參數(shù)。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在主跨塔梁結(jié)合部位A～D斷面布置主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，并在E斷面布置主塔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。在各個(gè)拉索錨點(diǎn)、塔中線及邊索與塔中間布置撓度變形測(cè)點(diǎn)；位移測(cè)點(diǎn)則分別布置在塔頂上下游。動(dòng)載試驗(yàn)過程中應(yīng)將橫豎向傳感器分別布置在主跨J5和J8拉索處，并在35m跨和45m跨跨中位置分別布置豎向傳感器。

2.3 加載時(shí)間

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，加載時(shí)間安排在晚上22:00—次日6:00，這一期間內(nèi)環(huán)境溫度較低且較為穩(wěn)定，溫度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果的影響最小，且加載、卸載周期時(shí)間差應(yīng)嚴(yán)格控制在20min以內(nèi)。為保證結(jié)構(gòu)能在加載、卸載后表現(xiàn)出明顯的反應(yīng)，應(yīng)在加載、卸載持續(xù)一段時(shí)間且穩(wěn)定后再進(jìn)行觀測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

該獨(dú)塔混合梁最大試驗(yàn)荷載偏載加載結(jié)果和理論結(jié)果的比較具體見表1，根據(jù)比較結(jié)果，在偏載工況下基于應(yīng)力實(shí)測(cè)值所計(jì)算的橋邊跨偏載系數(shù)取值位于1.04～1.08范圍內(nèi)，并未表現(xiàn)出明顯的偏載效應(yīng)[2]，也說明該混合梁斜拉橋邊跨箱形截面具有較大的抗扭剛度和強(qiáng)大的抗扭性能。而主跨π形截面梁實(shí)測(cè)偏載系數(shù)取值在1.15～1.25之間，比邊跨實(shí)測(cè)結(jié)果明顯偏大，表明主跨π形截面的抗扭性能明顯比邊跨箱形截面弱。

表1 最大試驗(yàn)荷載偏載加載試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果的比較

在偏載和對(duì)稱荷載的綜合影響下，主次邊跨加載后的撓度最大值及最不利應(yīng)力值均小于理論值，所測(cè)應(yīng)力值也不大，卸荷后撓度和應(yīng)力殘余量非常小，全部校驗(yàn)系數(shù)取值均在1.0以下，表明卸荷彈性恢復(fù)較快，且混合梁斜拉橋梁塔均處于正常彈性工作狀態(tài)，整體剛度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較好。

根據(jù)對(duì)橋梁豎向撓度實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，其撓度縱向變動(dòng)趨勢(shì)平滑，且與理論值高度吻合，表明靜載試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)橋狀態(tài)十分接近，也說明該獨(dú)塔混合梁斜拉橋主梁、主塔及拉索等雙索面斜拉-懸臂組合結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性良好。在靜載試驗(yàn)過程中，向該斜拉橋π形橫隔梁索施加的汽車輪載主要分配于3根橫梁，且單根橫梁在最不利工況下所實(shí)際承擔(dān)的荷載為試驗(yàn)荷載的42%。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)載試驗(yàn)主要分為激振試驗(yàn)和脈動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)激振試驗(yàn)下動(dòng)位移最大值及沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，隨著動(dòng)載試驗(yàn)車輛行車速度的增大，動(dòng)位移和沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值均有小幅增加；實(shí)測(cè)動(dòng)載試驗(yàn)沖擊系數(shù)最大值為0.147，比規(guī)范值0.15?。ň唧w見圖1），而剎車試驗(yàn)所測(cè)得的沖擊系數(shù)在0.180以上，比規(guī)范值0.15大，表明動(dòng)載作用下該斜拉橋整體抗彎性能良好，阻尼比實(shí)測(cè)值接近1%，這也與斜拉橋小阻尼振動(dòng)結(jié)構(gòu)特性較為吻合[3]。當(dāng)動(dòng)載試驗(yàn)車輛行駛速度超出30km/h，則主跨內(nèi)存在明顯的波動(dòng)感，表明π形主梁橫梁及拉索間距等參數(shù)均影響行車舒適性。

圖1 激振試驗(yàn)車輛行車速度10～40km/h的沖擊系數(shù)

根據(jù)對(duì)動(dòng)載試驗(yàn)車輛行車速度10～40km/h的沖擊系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)載試驗(yàn)車輛行駛速度提升后，行車對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)的沖擊呈增大趨勢(shì)，多次反復(fù)試驗(yàn)結(jié)果也顯示，橋面鋪裝不平順是造成該橋梁沖擊系數(shù)增大，并影響行車舒適度的主要原因。

4 結(jié)語

綜上所述，該獨(dú)塔混合梁斜拉橋靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度良好，偏載受力穩(wěn)定，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力性能好，且不同試驗(yàn)工況下均未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。但該橋梁在使用過程中主塔背索所承擔(dān)活載不顯著，在該橋型設(shè)計(jì)實(shí)踐中，應(yīng)積極探索曲獨(dú)塔無背索等形式，主塔應(yīng)反向彎曲設(shè)計(jì)，對(duì)于主塔無法反向彎曲的情況，應(yīng)在塔背增設(shè)預(yù)應(yīng)力，并在錨碇或抗力式橋墩上錨固少量拉索，以起到替代作用。根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，該獨(dú)塔混合梁斜拉橋橋面鋪裝層不平順是引發(fā)動(dòng)載車輛劇烈振動(dòng)及沖擊系數(shù)較大的主要原因，為此，必須在保證橋梁整體線形平順的基礎(chǔ)上加強(qiáng)鋪裝層厚度和密實(shí)度控制，避免發(fā)生塌陷及坑狀病害，以控制和減少行車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊損害。