斜拉橋初始檢查及靜載試驗要點分析

陳繼岳

（廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心 廣州 510420）

0 引言

現(xiàn)今，無論是預應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼-混凝土組合、鋼材料的斜拉橋，其跨徑一般都大于150 m，屬Ⅰ級養(yǎng)護檢查的橋梁，初始檢查非常重要，其檢查結(jié)果是未來橋梁使用中各次檢查的對比依據(jù)。本文依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范：JTG 5120—2021》［1］介紹斜拉橋初始檢查及靜載試驗中的一些要點，并結(jié)合湛江某跨海大橋初始檢查中靜荷載試驗的結(jié)構(gòu)計算情況進行闡述。

1 工程概述

廣東省湛江市某跨海大橋地處通明海域，連接東海島和雷州市；大橋線路東起667 縣道，上跨通明海域，西至黃雷東路；途經(jīng)大橋線路為東海島-雷州高速公路，項目于2021年12月建成通車。

該跨海大橋是橋跨布置為（146+338+146）m的雙塔雙索面半封閉鋼箱組合梁斜拉橋，橋梁寬度38.5 m。主梁采用扁平流線形半封閉鋼箱組合梁，所采用的組合梁主要輪廓尺寸為含風嘴全寬約38.5 m，不含風嘴頂板寬36 m，中心線處高度3.2 m（不含鋪裝），底板寬為（5.52+3.45+3.45+5.52）m。斜拉索采用1 770 MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共8×15=120 根斜拉索，最長約179 m，最大規(guī)格為PES7-313，單根最大重量約為126.6 t。主塔采用C50 混凝土，承臺采用C40 混凝土，跨海大橋按車速100 km/h、雙向6 車道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級。

2 初始檢查

單孔跨徑大于150 m的斜拉橋?qū)儆冖窦夝B(yǎng)護檢查等級，初始檢查前需收集好竣工資料、施工中的監(jiān)理和監(jiān)控資料。除了橋梁的總體尺寸、主要構(gòu)件尺寸、截面尺寸、材料強度、外觀質(zhì)量等常規(guī)檢查外，還需檢查斜拉橋主梁和橋塔的控制截面內(nèi)變形、橋面線形、全部拉索的拉力。這些檢查數(shù)據(jù)是橋梁終身運營、養(yǎng)護維修最初始的依據(jù)。

2.1 變形觀測點布置

對于一座新建的大橋，首先應(yīng)在橋頭兩岸選擇地基堅固，不易受到破壞和干擾的地方設(shè)置水準點或基準點，還應(yīng)選取適當?shù)膫溆命c?？梢曅陆ù髽蚩⒐r留下的這些點位，以方便今后觀測橋梁變形為依據(jù)，確定是否需要移位和補充。其次是選擇橋跨上的永久觀測點，每孔不宜少于10 個點，沿行車道兩邊或靠緣石處布設(shè)，其中，橋的跨中、1/4 跨、橋墩支點等控制截面處必設(shè)。每個索塔不宜少于2個點，索塔頂面、塔梁交接處各1～2 點。最后繪制基準點、橋上永久觀測點平面布置圖，方便以后查找和利用。

2.2 橋面線形及成橋索力測量

這是測量新橋在成橋狀態(tài)，無活載影響下，橋面上下游各永久觀測點的高程、塔頂?shù)某跏妓轿灰疲约案骼鞯睦?，這是將來判斷橋面和塔頂是否變形、拉索的索力是否變化最原始的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 靜荷載試驗

通過中載（對稱布載）和偏載加載對新建斜拉橋主梁、橋塔控制截面的內(nèi)力和變形，以及典型拉索的拉力測量，計算各測點的校驗系數(shù)，相對殘余位移或應(yīng)變、以及裂縫情況，判斷橋梁的結(jié)構(gòu)力學性能和工作狀況是否滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)行的斜拉橋主梁材料主要采用預應(yīng)力鋼筋混凝土、純鋼結(jié)構(gòu)、鋼梁-混凝土橋面板組合結(jié)構(gòu)這3 種，近10 年來，后者應(yīng)用越來越多，但《公路橋梁荷載試驗規(guī)程：JTG/T J21-01—2015》［2］沒有明確給出鋼-混凝土組（混）合結(jié)構(gòu)橋梁的校驗系數(shù)常值范圍，目前，暫按鋼橋的校驗系數(shù)常值范圍取值，有待進一步積累資料來完善。靜荷載試驗涉及結(jié)構(gòu)理論計算和現(xiàn)場加載試驗測量，以下對理論計算分析和加載試驗工況選擇方面進行一些討論。

3.1 結(jié)構(gòu)理論計算

除了根據(jù)構(gòu)件的受力性質(zhì)，正確選擇構(gòu)件相應(yīng)屬性的單元，以及構(gòu)件之間的約束和邊界約束條件外，根據(jù)朱利明等人［3-4］的計算分析結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)理論計算模型進行修正。

⑴考慮一半橋面鋪裝參與主梁受力，可使主梁應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)分別提高4%和3%，對主梁和橋塔縱向位移影響較小。

⑵根據(jù)彈性模量實測值修正模型，可使主梁應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)分別提高10%和9%，并減小了主梁和橋塔縱向位移。

⑶主梁有支座考慮支座摩阻對荷載試驗計算值的影響很大。采用雙折線模型考慮支座摩阻后，荷載試驗應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)分別提高了13%和21%，并修正了主梁梁端和橋塔塔頂縱向位移方向，使之與實橋?qū)崪y一致。

3.2 計算參數(shù)及模型

采用空間有限元軟件Midas/Civil 2020 建立湛江某跨海大橋的有限元空間模型，有限元建模時主要考慮結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件，盡可能使有限元模型與實際橋梁結(jié)構(gòu)接近。主塔、橋面板及主梁均采用梁單元，斜拉索采用只受拉桁架單元，模型共計離散760個單元和638個節(jié)點。

3.3 加載試驗工況選擇

加載位置取決于關(guān)注截面或控制截面的影響線范圍，而關(guān)注截面或控制截面的位置取決于各包絡(luò)圖的最大值位置。對于斜拉橋來說，無論主跨、邊跨（有輔助墩）和橋塔，先作出控制截面相應(yīng)的彎矩包絡(luò)圖、塔頂水平位移和主梁豎向位移包絡(luò)圖，注意是活載的彎矩和位移包絡(luò)圖（現(xiàn)今很多試驗報告未說清楚），其最大正彎矩和最大負彎矩處、最大位移處即為相應(yīng)測點位置。一般對于大跨度斜拉橋來說，考慮加載試驗工況時可關(guān)注以下問題［5-6］。

主梁彎矩包絡(luò)圖最大正彎矩位置與主梁撓度包絡(luò)圖最大撓度位置基本一致，相應(yīng)影響線相近，兩個測點的加載試驗工況可以合并成一個加載工況。有些斜拉橋由于橋跨和拉索布置的情況不同，上述合并工況的試驗加載位置會有一些出入，但考慮到橋梁運營中，達到設(shè)計極限狀態(tài)的概率極小，對于新橋荷載效率系數(shù)取文獻［2］的下限即可，這樣可降低試驗費用，節(jié)省試驗時間，對橋梁結(jié)構(gòu)也有好處。如該跨海大橋跨徑布置為（146+338+146）m的雙塔雙索面半封閉鋼箱組合梁斜拉橋，橋梁寬度38.5 m。有限元分析模型如圖1 所示；汽車活載下主塔彎矩包絡(luò)圖如圖2所示；汽車活載下主梁彎矩包絡(luò)圖如圖3所示；汽車活載下結(jié)構(gòu)最大變形圖如圖4所示。

圖1 有限元分析模型Fig.1 Finite Element Analysis Model

圖2 汽車活載下主塔彎矩包絡(luò)圖Fig.2 Bending Moment Envelope Diagram of Main Tower under Vehicle Live Load

圖3 汽車活載下主梁彎矩包絡(luò)圖Fig.3 Bending Moment Envelope Diagram of Main Beam under Vehicle Live Load

圖4 汽車活載下結(jié)構(gòu)最大變形圖Fig.4 Maximum Deformation of Structure under Live Load

由圖2可知，在汽車活載作用下，橋塔的最大彎矩發(fā)生在橋塔根部，且兩塔靠近岸邊一側(cè)的最大彎矩更大。從圖3 的汽車活載下主梁彎矩包絡(luò)圖可以看出，中跨最大正彎矩位置與中點有些差異，這是由于橋塔和斜拉索的布置造成的。圖5和圖6分別給出了中跨主梁最大撓度：跨中撓度影響線和中跨主梁最大正彎矩：中跨彎矩影響線。

圖5 中跨主梁最大撓度：跨中撓度影響線Fig.5 Maximum Deflection of Midspan Main Beam:Influence Line of Midspan Deflection

圖6 中跨主梁最大正彎矩：中跨彎矩影響線Fig.6 Maximum Positive Bending Moment of Midspan Main Beam: Influence Line of Midspan Bending Moment

從圖5 和圖6 可看出，雖然中跨撓度和彎矩影響線的最大值位置有些錯位，所以加載時可從跨中稍靠左邊布載，對于新橋只要撓度和彎矩的荷載效率系數(shù)滿足≥0.85 即可。圖7 和圖8 則分別給出了左邊跨主梁最大撓度：邊跨撓度影響線和左邊跨主梁最大正彎矩：邊跨彎矩影響線。

圖7 左邊跨主梁最大撓度：邊跨撓度影響線Fig.7 Maximum Deflection of Left Span Main Beam:Influence Line of Side Span Deflection

圖8 左邊跨主梁最大正彎矩：邊跨彎矩影響線Fig.8 Maximum Positive Bending Moment of left Span Main Beam: Influence Line of Side Span Bending Moment

從圖7 和圖8 可看出，邊跨的撓度影響線和彎矩影響線的最大值位置基本一致，同一載位加載時，左邊跨主梁撓度和彎矩的荷載效率系數(shù)都不低。

橋塔彎矩包絡(luò)圖最大彎矩位置與塔頂位移包絡(luò)圖最大水平位移位置基本一致，即相應(yīng)影響線相近，兩個測點的加載試驗工況也可以合并成一個加載工況。該座斜拉橋其橋塔最大彎矩和塔頂最大水平位移位置處的影響線如圖9和圖10。

圖9 左塔梁結(jié)合處橋塔的彎矩影響線Fig.9 Bending Moment Influence Line of Bridge Tower at the Junction of Left Tower and Beam

圖10 左橋塔頂部的水平位移影響線Fig.10 Horizontal Displacement Influence Line at the Top of Left Bridge Tower

從圖9 和圖10 可看出，塔梁結(jié)合處橋塔彎矩影響線和塔頂水平位移影響線的最大值位置基本一致，圖形也相近，同一載位加載時，左橋塔彎矩和位移的荷載效率系數(shù)也都不低。

典型拉索的索力測量，所謂典型拉索應(yīng)該理解為：當拉索的鋼絲截面積相同時，就是拉力包絡(luò)圖中拉力最大的那根（對）索；當拉索的鋼絲截面積不相同時，就是拉應(yīng)力包絡(luò)圖中拉應(yīng)力最大的那根（對）索。計算出該索的影響線后即可按最不利布載，算出該索的最大拉力。該橋試算出靠左塔頂?shù)闹锌缋骼瓚?yīng)力最大，其索力影響線如圖11所示。

圖11 塔頂?shù)闹锌缋鞯乃髁τ绊懢€Fig.11 Cable Force Influence Line of Mid-span Cable on the Left Tower Top

從圖11可看出，該索的索力測量如果中跨布載計算的荷載效率系數(shù)不足的話，還需左邊跨加載。

3.4 加載試驗工況分析［7］

經(jīng)對比分析各控制截面影響線，可將該跨海大橋荷載試驗方案進行優(yōu)化：邊跨主梁最大正彎矩及撓度合并為工況1，而主塔彎矩、主塔偏位、主梁最大正彎矩及撓度合并為工況2，各工況設(shè)置控制項目及荷載試驗效率如表1所示，各工況的加載效率符合文獻［2］相關(guān)規(guī)定，據(jù)此可以認為靜載試驗結(jié)果準確合理，各工況試驗評價指標計算如表2所示。

表1 各工況試驗荷載效率Tab.1 Test Load Efficiency under Various Working Conditions

表2 指標計算綜合表Tab.2 Comprehensive Table of Index Calculation

由表2可得［8］，各工況試驗荷載作用下，所有工況評價指標的校驗系數(shù)均小于1，均在文獻［2］要求的常值范圍內(nèi)，主塔各控制指標的校驗系數(shù)均位于文獻［2］第5.7.8 條關(guān)于預應(yīng)力混凝土要求的常值范圍，結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計要求。同時，主梁除邊跨最大正彎矩截面撓度略低于文獻［2］第5.7.8條關(guān)于鋼橋校驗系數(shù)的常值范圍內(nèi)，進一步表明該橋的承載能力和安全儲備足夠高。另外，還可以看出邊跨主梁的最大正彎矩截面應(yīng)變和最大豎向位移的校驗系數(shù)均小于中跨的結(jié)果，這主要是和跨徑布置和受力模式有關(guān)?？傊?，該橋的強度和剛度均滿足文獻［2］要求，且具有足夠的儲備。

另外，各試驗工況控制截面的相對殘余變形（或應(yīng)變）介于-4.7%～12.0%之間，均滿足文獻［2］第5.7.8條關(guān)于主要控制測點的相對殘余變形（或應(yīng)變）不宜大于20%的要求。眾所周知［9-10］，殘余變形是衡量橋梁結(jié)構(gòu)彈性恢復力的一個重要指標，當前各工況控制截面的相對殘余變形遠小于20%，足可表明橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的彈性工作狀態(tài)，變形儲備較多，抵抗外荷載作用的能力較強。

同時，在靜載試驗過程中，未發(fā)現(xiàn)明顯新增裂縫。這說明在試驗荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有進一步發(fā)展的趨勢，結(jié)構(gòu)的剛度較好，安全性得到足夠保障。

需要說明的是，文獻［2］沒有明確給出鋼-混凝土組（混）合結(jié)構(gòu)橋梁的校驗系數(shù)常值范圍，目前，暫按鋼橋的校驗系數(shù)常值范圍取值，有待進一步積累資料來完善。

本文通過湛江某跨海大橋的成橋靜載試驗為工程背景，運用內(nèi)力控制截面的概念對原荷載試驗工況進行了優(yōu)化。對工況優(yōu)化過程中存在一些難以確定的因素和相關(guān)假設(shè)，但通過細化計算和比對計算，提出更優(yōu)的靜載布載方案，并大大提高了橋梁靜載試驗結(jié)果的準確性。［11］采用文章中的優(yōu)化合并方法很好地完成了湛江某跨海大橋的靜荷載試驗，荷載試驗表明：該跨海大橋在試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與理論計算模式下的受力狀態(tài)基本吻合，結(jié)構(gòu)具有足夠強度儲備，材料處于彈性受力狀態(tài)。

4 結(jié)語

對于斜拉橋的初始檢查應(yīng)特別注意基準點、橋上永久觀測點的長期設(shè)置，并繪制平面布置圖保存，方便后人查找和利用；靜荷載試驗的結(jié)構(gòu)理論計算時，可以考慮實橋的彈性模量、支座摩阻及鋪裝層對計算結(jié)果的影響；確定試驗加載位置時盡可能將斜拉橋的主梁最大正彎矩和最大撓度測試合成一個加載工況，工況優(yōu)化合并后，各控制斷面的加載效率均滿足文獻［2］要求，在保證了荷載試驗有效的情況下，以便減少現(xiàn)場荷載試驗時間及成本。