太原迎賓橋荷載試驗分析與評定

孫競飛 廖玉杰

關鍵詞：空間斜主纜;自錨式懸索橋;荷載試驗;承載能力

工程概況

太原迎賓橋主橋采用傾斜獨塔空間大角度雙索面吊桿空間斜主纜自錨式懸索橋，橋梁總長420m，跨徑組合為86+155+93+86m。主橋的鋼主梁采用分幅式斷面，每幅鋼梁上寬1550mm，梁高450mm，兩幅橋之間設橫梁相接。主橋共有一個橋塔，橋塔高出橋面103m，全高107.5m（至梁底）。立面傾斜角度22.8°。塔頂設有主纜上錨點和背索上錨點。主橋共設有兩根主纜，布置在背跨范圍，主纜上方與塔頂相接，下方與主梁兩側相接，主纜抗拉強度1670MPa。主橋共設有22對吊桿，吊桿上方與主纜索夾相接，下方與鋼主梁邊橫梁上的耳板相接。吊桿抗拉強度1860MPa。

設計荷載為城—A級。

該橋效果圖見圖1.1。

模型建立

本試驗采用空間有限元軟件Midas Civil對橋梁結構進行建模分析，其中主塔和梁為鋼結構，基于其受力特性，采用梁單元模擬，共計233個單元，考慮到主纜和吊桿只能受拉，不能受壓，故采用受拉索單元模擬，共計92個單元。有限元模型見圖2.1。

試驗內容

根據本橋結構特性以及《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）的要求，確定本次靜載荷載試驗的工況、加載內容和測試內容。

靜載試驗測點布置

撓度測點布置

在梁體加載跨的4分點及相鄰跨跨中位置對應橋面處各布置3個豎向撓度測點;橋塔上、下游塔柱塔頂索鞍位置縱向位移測點，共布置2個。

測試截面及具體測點布置見附圖3.1.1。

應變測點布置

在梁體試驗截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E各布置22個靜應變測點，橋塔試驗截面G-G布置9個靜應變測點。

測試截面布置位置見附圖3.1.2，具體測點布置見附圖3.1.2～圖3.1.3。

靜載試驗內容

本次試驗采用載重汽車（單車重84+168+168=420kN，軸距為3.8m+1.4m）充當荷載。載重汽車的停放位置和數量，是根據荷載等效換算而得，具體方法是通過計算，使試驗荷載作用下產生的最大效應值與設計荷載產生最不利效應值（含沖擊）之比介于0.85到1.05之間。

本橋設計荷載為“城—A級”，其產生的試驗截面的控制內力，進行試驗荷載設計，試驗加載的效率系數見表3.2.1，加載附圖、加載方式見圖3.2.1～圖3.2.6。從表中可以看出，各工況作用下荷載效率系數介于0.88～1.02，處于0.85～1.05的范圍。

動載試驗內容

測試振型、頻率及阻尼比，反應橋跨結構自振特性;

無障礙行車試驗是橋面鋪裝層較好的狀況下，車速為5、10、20、30、40、50、60km/h時， 測試A-A、C-C、E-E截面的動載響應和沖擊系數;

有障礙行車試驗是橋面鋪裝層破損的狀況下，車速為5、10、15、20km/h時，測試 A-A、C-C、E-E截面的動載響應和沖擊系數。

A-A、C-C、E-E截面底面各布置4個動應變測點。

檢測結果

靜載試驗結果

靜載試驗過程中，通過對試驗的控制及觀測，卸載后梁體結構未見明顯殘余應變及變形;試驗過程中未出現其它異常情況。

撓度測試結果

試驗荷載作用下，試驗跨結構撓度測試結果見表4.1.1。試驗結果表明：撓度結構校驗系數介于0.73～0.91之間，加載作用下的相對殘余撓度均小于20%;在加載的荷載作用下，校驗系數處于規范規定的合理范圍以內，表明試驗的橋跨結構剛度大于理論值，處于較好狀態。

應變測試結果

從表4.1.2可以看出A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、G-G截面的應變實測值及與計算值的比較情況。

試驗結果表明：荷載作用下，梁體應變結構校驗系數介于0.78～0.91之間，相對殘余應變均小于20%，試驗截面應變校驗系數處于規范規定的合理范圍以內，表明試驗的橋跨結構強度儲備足夠，處于較好狀態。

主塔位移測試結果

B/C工況中載作用下，主塔縱向位移36.8mm，計算值為39.1mm，結構校驗系數為0.94，相對殘余撓度小于20%;D/F/G/H工況中載作用下，主塔縱向位移為49.2mm，計算值為53.5mm，結構校驗系數為0.92，相對殘余撓度小于20%;試驗工況下位移結構校驗系數處于合理范圍。

主橋索力測試結果

H工況中載作用下，S7拉索索力增量為38.8kN，計算值為41.3kN，結構校驗系數為0.94，試驗工況下索力增量結構校驗系數處于合理范圍。

動載試驗結果

自振特性測試結果

自振特性的測試可以利用自然因素作為振源，測出橋梁結構在自然因素作用下的響應，求出橋梁的自振特性，測試結果見表4.2.1，篇幅所限，僅列出前三階振型。

將采集的脈動信號做FFT分析，與理論計算結果進行對比，計算振型和實測振型基本一致，但實測的自振頻率略低，阻尼比無計算值，采用公式進行估算，與同類型橋梁進行比較，實測阻尼比屬正常范圍，所以橋梁的自振特性較好。

激振測試結果

試驗跨在不同車速下試驗截面的沖擊系數（1+μ）曲線見圖4.2.1～圖4.2.2。

檢測結果表明：

A-A截面實測無障礙行車沖擊系數介于1.02～1.10之間，實測有障礙行車沖擊系數介于1.26～1.48之間、C-C截面實測無障礙行車沖擊系數介于1.02～1.06之間，實測有障礙行車沖擊系數介于1.11～1.22之間、E-E截面實測無障礙行車沖擊系數介于1.02～1.08之間，實測有障礙行車沖擊系數介于1.24～1.35之間，可見橋面鋪裝層破損時，汽車對橋跨結構的沖擊明顯增大;

沖擊系數總體呈現隨跨徑增大而減小的趨勢;

通過與同類型橋梁的比較發現，無障礙和有障礙行車的激振響應屬于正常范圍。

檢測結論

通過靜載試驗可以發現，撓度和應變實測值與理論計算值相比，規律基本吻合，說明有限元分析模型很好地符合橋梁的實際特性。

靜載試驗的校驗系數沒有超出規范對該類型橋梁的要求，說明與理論值相比，實際的強度和剛度更高;殘余變形亦沒有超出規范對該類型橋梁的要求，說明加載作用下結構處于彈性狀態。

計算振型和實測振型基本一致，但實測的自振頻率略低，實測阻尼比屬正常范圍，橋梁的自振特性較好。

橋面鋪裝層較好時，沖擊系數介于1.02～1.10之間，橋面鋪裝破損時，汽車對橋跨結構的沖擊明顯增大，增大至1.11～1.48之間，養護階段應對橋面鋪裝狀況做好檢查，避免出現坑槽和石頭，降低車輛沖擊效應。

沖擊系數總體呈現隨跨徑增大而減小的趨勢。

參考文獻：

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作者簡介：

孫競飛，男，出生于1988.02，工學碩士，工程師，就職于四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川省成都市，郵編610036

文章標題：太原迎賓橋荷載試驗分析與評定