大跨度雙塔扇形索面斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

摘要：對于新建大跨度橋梁，在投入使用前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)狀況檢測，以保證橋梁的安全運(yùn)營，并且為工程驗(yàn)收提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為此，文章采用Midas Civil軟件建立某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋主橋模型，進(jìn)行靜載、動(dòng)載試驗(yàn)研究，評價(jià)該橋的結(jié)構(gòu)安全性，為橋梁竣工驗(yàn)收及運(yùn)營的安全性提供技術(shù)依據(jù)，為同類橋梁技術(shù)檢測提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度斜拉橋；雙塔扇形索面；荷載試驗(yàn)；索力測試；校驗(yàn)系數(shù)

中圖分類號：U441+.2

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展，跨越江河、峽谷的長大橋梁應(yīng)用廣泛，斜拉橋具有跨越能力大、造型美觀等特點(diǎn)，是跨越寬闊水域和深溝峽谷的主要橋型之一［1］。但是，新建長大橋梁在投入使用前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)狀況檢測，以保證其安全運(yùn)營，并且為工程驗(yàn)收提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。荷載試驗(yàn)是常用的橋梁檢測方法［2］，通過試驗(yàn)用加載車進(jìn)行靜力、動(dòng)力試驗(yàn)，對橋梁的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行評價(jià)，為橋梁后期的安全運(yùn)營與維護(hù)保養(yǎng)提供可靠依據(jù)［3-6］。趙文國等［7］通過荷載試驗(yàn)，對某跨線橋的實(shí)際承載力狀態(tài)做出評定。龍佩恒等［8］通過靜載、動(dòng)載試驗(yàn)，結(jié)合有限元優(yōu)化加載工況，得到了大跨度中承式鋼管混凝土拱橋的運(yùn)營工作性能評價(jià)結(jié)果。可見，通過荷載試驗(yàn)是掌握橋梁結(jié)構(gòu)性能的重要方法。由于大跨度雙塔扇形索面斜拉橋的研究較少，其安全運(yùn)營需要結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、動(dòng)力性能滿足要求。本文針對某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋進(jìn)行靜載、動(dòng)載試驗(yàn)研究，評價(jià)該橋的結(jié)構(gòu)安全性。

1 橋梁概況

北海市西村港跨海大橋分為西引橋、跨航道主橋、東引橋。其中西引橋總長720 m，主橋455.8 m，東引橋600 m，橋梁總長1 775.8 m。主橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑布置為［38.9 m+70 m+238 m（主跨）+70 m+38.9 m］=455.8 m，橋面寬度37 m。主塔采用C50混凝土橋塔，主梁為鋼混疊合梁，采用Q345q鋼材。斜拉索為雙索面，采用扇形索面布置，主跨20對索，邊跨10對索，全橋共80根拉索，采用1860鋼絞線。橋面板采用C55混凝土，橋墩立柱和蓋梁采用C45混凝土，承臺(tái)、系梁、橋臺(tái)臺(tái)帽、臺(tái)身樁基采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。

主橋功能橫斷面布置為2.0 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（機(jī)非分隔帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2 m（中央分隔帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（機(jī)非分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（人行道）=37 m。道路等級為城市主干路；設(shè)計(jì)行車速度60 km/h；荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-A級，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJ J11-2011）取值。主橋立面布置以及橫斷面如圖1、圖2。

2 模型的建立

根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式，采用Midas Civil軟件建立主橋模型。斜拉索采用桁架單元模擬，橋面板采用板單元模擬，樁基、橋墩、主梁、橋塔均采用梁單元模擬?；炷恋目箟簭椥阅Ａ堪匆?guī)范標(biāo)準(zhǔn)取值，容重25.0 kN/m。鋼材的彈性模量為2.06×105 MPa，容重78.5 kN/m2。主橋斜拉索Strand1860彈性模量E=1.95×105 MPa，容重78.5 kN/m3。全橋共節(jié)點(diǎn)1 645個(gè)，梁單元2 042個(gè)，桁架單元80個(gè)，板單元80個(gè)。樁基底部固結(jié)約束，樁基與承臺(tái)、承臺(tái)與橋墩采用剛性連接，主梁與橋墩支座采用彈性連接并交替釋放縱向和橫向剛度，主梁兩端采用簡支約束。整體有限元模型如圖3所示。

3 試驗(yàn)方案

3.1 測試截面及測點(diǎn)布置

通過對橋梁結(jié)構(gòu)的恒載和活載內(nèi)力計(jì)算，確定橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，見圖4，并參考《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJ J/T233-2015）選定控制截面，主要截面測試項(xiàng)目為各級荷載下的控制測點(diǎn)應(yīng)變、各級荷載下的控制測點(diǎn)撓度、各級荷載下的塔頂縱向位移、裂縫發(fā)展?fàn)顩r，測試截面測點(diǎn)布置見圖5。

3.2 荷載工況

試驗(yàn)采用多輛三軸載重汽車加載。根據(jù)測試截面的主要受力特點(diǎn)和理論計(jì)算，對不同工況下的加載位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到加載工況及加載效率如表1所示?？梢钥闯?，采用12輛加載車通過優(yōu)化布置，可以使得各工況的加載效率達(dá)到0.85～0.94，滿足驗(yàn)收工程的加載效率0.85～1.05的要求。本次試驗(yàn)共分為7個(gè)加載工況，分別為各小跨中最大正彎矩及橋墩、塔身最大負(fù)彎矩。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜載試驗(yàn)

通過多輛試驗(yàn)用車的優(yōu)化布置，對測試截面的最不利結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行試驗(yàn)，使加載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的最不利內(nèi)力效應(yīng)值。本次加載分為三級，每級加載四輛加載車。由于溫度對測試的影響比較復(fù)雜，在加載試驗(yàn)前，對測點(diǎn)進(jìn)行≥15 min的溫度穩(wěn)定觀測，選擇溫度變化相對較小的時(shí)間段進(jìn)行試驗(yàn)，并建立溫度變化和測點(diǎn)測值變化的線性關(guān)系進(jìn)行修正。通過數(shù)據(jù)采集，可以得到各加載工況下，測試截面的應(yīng)變和撓度等數(shù)據(jù)，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范要求。限于篇幅，本文僅列出工況1的加載測試結(jié)果。

工況1第三級加載下，各測點(diǎn)的應(yīng)變理論及實(shí)測值對比，如圖6所示?？梢钥闯?，12個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變理論值均大于實(shí)測值，但偏差不大，整體校驗(yàn)系數(shù)在0.68～0.83之間，相對殘余應(yīng)變在0～19%之間，4號測點(diǎn)與10號測點(diǎn)由于位于主梁的上部，因此應(yīng)變?yōu)樨?fù)值表示受壓。卸載后存在部分殘余變形，最大值（5 με）位于6號、9號、12號測點(diǎn)。

工況1撓度測試結(jié)果如圖7所示，其中測點(diǎn)2為橋面中心，測點(diǎn)1、3布置在外側(cè)人行步道邊緣?？梢钥闯?，橋面中心的撓度較兩側(cè)大。理論計(jì)算值大于實(shí)測值，表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度要大于理論設(shè)計(jì)剛度。2號測點(diǎn)的殘余撓度幾乎為零（0.06 mm），1號、3號測點(diǎn)的殘余撓度分別為0.57 mm、0.41 mm。各測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.69～0.85，相對殘余位移在1%～18%，滿足規(guī)范要求。此外，各靜載試驗(yàn)工況加載至滿載的過程中，橋梁未發(fā)現(xiàn)明顯異常響聲或異常變形情況，控制截面附近未發(fā)現(xiàn)明顯可見裂縫。

4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)主要通過測試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，分為模態(tài)振型以及沖擊性能。模態(tài)振型采用脈動(dòng)試驗(yàn)，沖擊性能采用跑車試驗(yàn)。脈動(dòng)試驗(yàn)主要通過風(fēng)荷載及地脈動(dòng)等隨機(jī)激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)，通過采集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)域信號，通過傅里葉分析得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)數(shù)據(jù)。本次脈動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)陣型特點(diǎn)，在邊跨橋面四等分處、主跨橋面八等分處布置測點(diǎn)。用DH5907N無線橋梁模態(tài)采集器測得這些測點(diǎn)處的振動(dòng)速度時(shí)域信號，再用模態(tài)專用分析設(shè)備進(jìn)一步求得橋梁的自振頻率。為保證頻率分辨率和提高信噪比，本次試驗(yàn)采集的長樣本信號時(shí)間≥30 min。

頻譜分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)的實(shí)測與理論模態(tài)對比結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，實(shí)測的結(jié)構(gòu)5階頻率與結(jié)構(gòu)的理論振型頻率偏差不大，各階頻率偏差在1.45%～17.01%，最大值在第四階模態(tài)（17.01%），各階振型形式實(shí)測與理論對應(yīng)。實(shí)測阻尼比在0.025～0.069，1階振型阻尼比為0.065，第2階振型阻尼比最小，僅為0.025。各階振型實(shí)測值均大于理論值但比較接近，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較理論剛度偏大，結(jié)構(gòu)整體剛度性能良好。

跑車試驗(yàn)主要測試不同行車速度下梁體的豎向受迫振動(dòng)響應(yīng)，采集動(dòng)撓度信號或動(dòng)應(yīng)變信號，進(jìn)而得出橋梁的沖擊系數(shù)。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），當(dāng)flt;1.5 Hz時(shí)，理論沖擊系數(shù)μ=0.05。本次跑車試驗(yàn)中，測點(diǎn)布設(shè)在主跨跨中截面處，在兩側(cè)鋼箱梁底靠內(nèi)側(cè)處各布設(shè)一個(gè)無線表面式應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)。采用一輛350 kN重的車輛進(jìn)行跑車，跑車速度取40 km/h、50 km/h、60 km/h，采用DH1205W無線表面式應(yīng)變計(jì)（控制器）采集測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線，進(jìn)而分析橋梁的沖擊系數(shù)。每個(gè)車速工況進(jìn)行2～3次重復(fù)試驗(yàn)，沖擊系數(shù)取對應(yīng)車速下的最大值。跑車試驗(yàn)跨中截面動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖9所示?？梢钥闯?，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測沖擊系數(shù)的最大值為0.04，小于理論計(jì)算值0.05，說明橋梁在正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力性能良好。

4.3 索力測試

斜拉索是斜拉橋的主要傳力構(gòu)件，索力的損傷將嚴(yán)重影響斜拉橋的工作性能，因此對斜拉橋的索力測試是必不可少的。該橋斜拉索的編號為“20-L-BC10”，20—墩塔號，L—左幅，B—邊跨，Z—中跨，C—拉索。斜拉索布置圖如圖10所示，圖中僅示出西岸一側(cè)的拉索，東岸一側(cè)拉索對稱布置，全橋共80根拉索。

索力測試采用隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)的測試方法、采集索在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號。采用自譜分析方法，獲取前5～10階自振頻率。按隨機(jī)信號處理的規(guī)定，合理選取分析數(shù)據(jù)長度、分析帶寬、譜線數(shù)、重疊率、窗函數(shù)及譜平均次數(shù)等分析參數(shù)，以減少分析誤差，并具有≤0.01 Hz的頻率分辨率，其中索力計(jì)算按式（1）計(jì)算：

式中：T——斜拉索索力；

fn——索的第n階自振頻率；

L——索的計(jì)算長度；

n——自振頻率階數(shù)；

EI——索的抗彎剛度；

ρ——索的線密度。

本次抽取部分典型拉索進(jìn)行成橋恒載索力測試，根據(jù)斜拉索的規(guī)格、參數(shù)及現(xiàn)場測試的各階自振頻率，通過索力計(jì)算軟件計(jì)算可得出各拉索的索力。索力測試結(jié)果如圖11所示，可以看出，所測索力與設(shè)計(jì)值比較接近，偏差率最大值僅為-4.8%，在±5.0%以內(nèi)，滿足規(guī)范《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）的要求，斜拉索的工作性能良好。

5 結(jié)語

對于新建長大橋梁，在投入使用前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)狀況檢測，以保證橋梁的安全運(yùn)營，并且為工程驗(yàn)收提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。本文針對某大跨度雙塔扇形索面斜拉橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）靜載試驗(yàn)中，各測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.69～0.85，相對殘余位移在1%～18%，滿足規(guī)范要求，且未發(fā)現(xiàn)有異常響聲或異常變形，控制截面附近未發(fā)現(xiàn)明顯可見裂縫。

（2）實(shí)測的結(jié)構(gòu)5階頻率與結(jié)構(gòu)的理論振型頻率偏差不大，各階頻率偏差在1.45%～17.01%。這表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較理論剛度偏大，結(jié)構(gòu)整體剛度性能良好。

（3）所測索力與設(shè)計(jì)值比較接近，偏差率的最大值僅為-4.8%，在±5.0%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，斜拉索的工作性能良好。

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收稿日期：2024-03-16

基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目“建筑樁基基礎(chǔ)承載力新型檢測設(shè)備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”（編號：AB19245018）

作者簡介：劉遠(yuǎn)凱（1996—），助理工程師，主要從事橋梁、建筑檢測工作。