自錨式懸索橋成橋荷載檢測分析

彭及躍

(東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東 東莞 523001)

0 引言

自錨式懸索橋是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。此類橋梁結(jié)構(gòu)特殊復(fù)雜，跨度較大，施工和成橋時受力狀況比較難控制和檢測。本文以東江南支流港灣大橋（沙田大橋）為例，對自錨式懸索橋的成橋荷載試驗檢測技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1 自錨式懸索橋荷載試驗檢測分析

1.1 自錨式懸索橋荷載試驗檢測目的

1.1.1 直接了解該橋的實際結(jié)構(gòu)受力狀況，判斷在荷載作用下的實際承載能力，并驗證設(shè)計計算結(jié)果，結(jié)合荷載實測數(shù)據(jù)評價大橋在設(shè)計使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能。

1.1.2 獲得該橋在荷載作用下的結(jié)構(gòu)動力特性等橋梁特征參數(shù)，并驗證大橋在抗風(fēng)、抗震荷載作用下的實際工作狀況。

1.1.3 為橋梁在竣工驗收過程中提供重要的橋梁數(shù)據(jù)，并作為橋梁的基本信息和數(shù)據(jù)檔案，為橋梁使用階段的安全監(jiān)測和健康運營提供充足的技術(shù)保障。

1.1.4 驗算該類型特殊橋梁的技術(shù)規(guī)范，并為后續(xù)其他同類橋梁技術(shù)提供數(shù)據(jù)參考。

1.2 自錨式懸索橋荷載試驗檢測難點

1.2.1 此類橋梁一般為特大橋，梁體結(jié)構(gòu)尺寸較大，試驗檢測時受環(huán)境溫度影響較大。溫差變化容易引起結(jié)構(gòu)變形，影響應(yīng)力應(yīng)變的測量結(jié)果。

1.2.2 由于橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨徑較長、橋面板寬大，加載時容易因為荷載集中引起橋面板局部應(yīng)力過大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過度變形，出現(xiàn)異常情況[1]。

1.2.3 此類橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大，試驗檢測加載時噸位大、車輛多，跨中產(chǎn)生的豎向位移較大，結(jié)構(gòu)變形過大容易造成損傷、殘余量過大。

1.2.4 為準(zhǔn)確反映此類橋梁結(jié)構(gòu)的實際變形和應(yīng)力狀態(tài)，測量點位布置較多，存在一定困難。

1.3 自錨式懸索橋荷載試驗檢測注意事項

1.3.1 橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況和成橋荷載試驗檢測方案應(yīng)經(jīng)過詳細(xì)認(rèn)真的計算分析，并經(jīng)過專家反復(fù)論證后方可施行。

1.3.2 為避免溫度影響，應(yīng)選擇溫度較低的時段做試驗，比如夜晚。同時，在荷載試驗過程中隨時注意現(xiàn)場溫度的變化。施工過程中積累的大量溫度影響資料，也可為荷載試驗提供指導(dǎo)。

1.3.3 為避免因荷載集中引起橋面板局部應(yīng)力過大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過度變形，以及因加載噸位大、車輛多使結(jié)構(gòu)變形過大而造成損傷，加載時每個工況應(yīng)分多級加載，詳細(xì)記錄實測數(shù)據(jù)，認(rèn)真觀察結(jié)構(gòu)變形，實時判斷結(jié)構(gòu)反應(yīng)是否正常。

1.3.4 根據(jù)檢測方案進(jìn)行加載車輛的布置，并在各個關(guān)鍵截面點位布置測點，使試驗檢測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映此類橋梁結(jié)構(gòu)的實際變形和應(yīng)力狀態(tài)[2]。

2 工程實例

2.1 工程概況

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）全長2131.6m，主橋為60+130+320+130+65=705m 的五跨雙塔鋼箱梁自錨式懸索橋，為目前國內(nèi)最大跨徑“先纜后梁”自錨式懸索橋。主梁采用扁平流線型加勁梁，正交異性板橋面，梁高3.5m，全寬38.5m。橋塔是由塔柱、橫梁組成的門式框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。

2.2 計算分析

采用Midas Civil 有限元軟件建立該懸索橋分析模型。此次荷載試驗選用350kN 重的加載車輛，靜載分5 個工況。為滿足靜力荷載試驗效率的要求，最大用車工況使用22 輛車加載。立面布置、橫斷面布置、計算模型和主要結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖1～圖6。

圖1 東江南支流港灣大橋立面布置圖

圖2 東江南支流港灣大橋主梁橫斷面布置圖

圖3 有限元分析模型

圖4 可變荷載作用下彎矩包絡(luò)圖（偏載）

圖5 可變荷載作用下彎矩包絡(luò)圖（中載）

圖6 一階振型圖（頻率H=0.397943）

2.3 試驗檢測措施

2.3.1 在荷載試驗理論分析過程中，選擇橋梁最不利工況進(jìn)行荷載試驗，并應(yīng)用精密儀器準(zhǔn)確檢測橋梁的實際變形和應(yīng)力變化。

2.3.2 嚴(yán)格監(jiān)測試驗全程，統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮和調(diào)度，正式加載試驗前，用第一級加載試驗車對橋梁加載跨進(jìn)行預(yù)加載，按結(jié)構(gòu)最不利受力特點進(jìn)行預(yù)壓30min。預(yù)加載是為了使橋梁結(jié)構(gòu)能夠提前進(jìn)入彈性工作狀態(tài)，并能夠提前了解各類儀器的使用情況，使整個檢測過程順利進(jìn)行[3]。

2.3.3 在加載過程中，進(jìn)行分級加載，對每級加載試驗所得實測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析判斷，用以判斷橋跨結(jié)構(gòu)在各級荷載下的反應(yīng)是否正常。同時，在方案設(shè)計時查看了橋跨結(jié)構(gòu)的局部受力情況，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部荷載集中引起的橋面板局部應(yīng)力過大和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件過度變形，防止橋梁出現(xiàn)不正常損壞，影響橋梁的承載能力和正常使用。

2.3.4 試驗過程中，安排專人監(jiān)測主要結(jié)構(gòu)有無異響、晃動、傾覆和扭曲等異常現(xiàn)象。

2.4 試驗結(jié)果分析

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）靜載試驗各測試橋跨結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)的主要工況中，撓度校驗系數(shù)在0.89～0.97 之間，撓度相對殘余最大值為3.8%，見表1 和圖7；應(yīng)變校驗系數(shù)在0.44～0.91 之間，應(yīng)變相對殘余最大值為15.6%，見表2 和圖8。靜載試驗工況中，各變形測試項目的實測值與理論值吻合良好，主纜、索塔、鋼主梁等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性應(yīng)力工作狀態(tài)，主纜、主桁實測應(yīng)變增量未出現(xiàn)較大峰值，具有良好的安全儲備，結(jié)構(gòu)無異響、晃動、傾覆和扭曲等異?，F(xiàn)象。

表1 主梁控制截面豎向位移計算值 單位：mm

表2 主梁控制截面應(yīng)變計算值 單位：με

圖7 工況3 下主梁撓度實測值與理論值

圖8 工況4 主梁撓度實測值與理論值

圖9 工況1 下主梁應(yīng)變實測值與理論值圖

圖10 工況4 主梁應(yīng)變實測值與理論值

橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性參數(shù)（振動頻率、振型及阻尼比）是大橋動力學(xué)性能的決定因素之一，也是結(jié)構(gòu)總體狀態(tài)的一種表征，采用有限元分析程序?qū)χ鳂虺蓸驙顟B(tài)的自振特性進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)前五階固有振動的振型和頻率。橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可采用波形分析法得到，結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)宜采用試驗過程中多次所測得結(jié)構(gòu)的平均值，且單次試驗的實測數(shù)據(jù)與平均值的偏差不應(yīng)超過±20%。多階自陣信號疊加的波形通常首先分離成單一頻率的自陣信號，再按照下面公式（1）計算阻尼參數(shù)[4]。

東江南支流港灣大橋（沙田大橋）實測的前五階振型與理論前五階振型的振動模型基本一致（見表3），受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性和動力響應(yīng)性能正常，表明該大橋?qū)嶋H主梁豎彎剛度與理論計算值吻合良好。實測鋼主梁及主塔1 階振型見圖11 和圖12。

表3 主橋前5 階成橋狀態(tài)的振型及頻率

圖11 實測鋼主梁一階振型圖（頻率=0.41Hz）

圖12 實測主塔一階振型圖（頻率=0.41Hz）

3 結(jié)語

本文以東江南支流港灣大橋(沙田大橋）為例，對自錨式懸索橋的成橋荷載試驗檢測技術(shù)進(jìn)行分析。通過靜載試驗與振動特性的檢測，克服特殊橋型試驗檢測過程中的各種困難，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：東江南支流港灣大橋（沙田大橋）的整體受力滿足設(shè)計和規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)性能能夠滿足橋梁現(xiàn)場實際工作情況，并且具有足夠的安全儲備。橋梁在正常使用過程中具有足夠的安全性能和舒適性，能夠滿足在正常荷載作用下的使用要求，并通過此次檢測，為以后同類橋梁檢測提供技術(shù)幫助。