基于荷載試驗的斜拉橋承載能力評定分析

解 慧 （安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

斜拉橋是由承壓橋塔、斜拉索和受彎主梁組成的一種多跨彈性支承連續橋梁，是大跨度橋梁的主要橋型之一，具有跨越能力大、結構輕盈和造價低等優勢。但斜拉橋在力學分析上屬于高次超靜定結構，受力情況較為復雜。

隨著國內斜拉橋建設數量的不斷增加，斜拉橋驗收性荷載試驗方法也逐漸成熟。斜拉橋使用前可通過靜載試驗和動載試驗來判定橋梁實際健康狀況和承載性能。靜載試驗主要檢測靜載作用下橋梁控制界面的應力、應變及變位等數據，以此評估校驗系數和確定斜拉橋承載能力。動載試驗以不同速度的動載通過斜拉橋，收集橋梁結構的振動特征和動力系數等數據，分析橋梁的動力特性。

本文基于橋梁規范標準，以某主跨120m 的Y形獨塔斜拉橋為實例，進行斜拉橋驗收性荷載試驗，評估該橋的初始成橋情況，為其后期管理養護提供依據。

1 工程概況

某斜拉橋為預應力混凝土等截面連續箱梁斜拉橋，橋梁總長210m，橋寬22.5m，橋梁位于R=400m 的平曲線上。主橋主梁采用2×60m 單箱雙室預應力混凝土連續箱梁，梁高2.5m，梁寬22.5m；引橋主梁采用3×30m 預應力混凝土等截面連續梁，采用單箱四室截面，箱梁橋面板寬22.5m，梁高2.0m，斜拉橋立面布置示意圖見圖1。

圖1 斜拉橋立面布置示意圖

橋塔采用墩梁塔固結形式，梁上部塔高35m，塔底截面尺寸為3.5m×2.5m，向上分叉形成Y 字形。該橋一共設置16 對斜拉索，布置形狀為扇形，采用15-22 環氧噴涂鋼絞線預制成品束。橋臺使用重力式橋臺，基礎為群樁基礎，均為C35 混凝土，預應力箱梁采用C50混凝土。

2 荷載試驗方案

2.1 有限元模型建立

根據工程概況資料，采用MIDAS CIVIL 2021建立斜拉橋主橋有限元模型并進行受力分析，模型見圖2。根據主梁在控制荷載下的彎矩、撓度包絡圖并結合規范可確定各試驗工況及控制截面，主梁彎矩、撓度包絡圖如圖3 和圖4所示。

圖3 主梁彎矩包絡圖

圖4 主梁最小撓度包絡圖

2.2 控制截面

本次靜載試驗共選取4 個控制截面對應四種工況，分別為主梁第5 跨最大正彎矩工況A-A 截面、主梁第5 跨最大撓度工況B-B 截面、主塔塔頂縱橋向最大水平位移工況C-C 截面、主梁主墩墩頂最大負彎矩工況D-D 截面，試驗控制截面示意圖如圖5所示。

圖5 試驗控制截面示意圖

2.3 靜載試驗

2.3.1 試驗荷載效率

為了保證靜載試驗的有效性和準確性，需要使試驗加載工況的靜載試驗效率η 滿足規范要求。通過斜拉橋主橋有限元模型計算分析，確定靜載試驗時主橋結構控制界面處等效均布荷載的位置和大小，最終得到表1 的試驗荷載效率，均在0.85～1.05。

表1 試驗荷載效率

2.3.2 加載車輛布置

本次靜載試驗在滿足試驗荷載效率以及能夠達到試驗目的的前提下，將工況1～工況3 進行合并，優化靜載試驗方案，從而避免重復加載，提高試驗效率。結合現場的加載設備、試驗基本原則以及斜拉橋主橋有限元模型計算結果，本次試驗采用6 輛載重為360kN 的三軸車輛進行加載。試驗加載車輛輪位布置圖如圖6 和圖7 所示。圖中1～2#試驗車輛為第1 級加載，3～4#試驗車輛為第2 級加載，5～6#試驗車輛為第3 級加載。輪位尺寸對應為中間防撞護欄邊緣線的弧長，車輛與橋梁曲線的切線方向平行，這是連續彎箱梁橋不同于直橋的車輛布置關鍵點。

圖6 工況1～3試驗車輛輪位布置圖

圖7 工況4試驗車輛輪位布置圖

2.3.3 應變及變位測點布置

靜載試驗主梁單向應變測試截面為A-A 截面、D-D 截面，采用電阻應變片進行測試以反映結構的受力特征和應變分布規律，應變采用“一對一”的溫度補償方式，即在每個測點位置的縱橫向粘貼兩個相互垂直的工作應變片形成互補。該橋為連續彎箱梁橋，應變片需要沿橋梁曲線的切線方向布置，并且要緊密貼合于箱梁下表面，減少試驗誤差和不利影響。測試截面主要應變測點的具體布置如圖8和圖9所示。

圖8 測試截面A-A應變測點布置示意圖

圖9 測試截面D-D應變測點布置示意圖

靜載試驗主橋變位測試截面為AA 截面、B-B 截面，主塔縱橋向水平位移測試截面為C-C 截面以及支點沉降測試截面，通過水準儀和全站儀進行觀測，以此反映斜拉橋的變位規律。其橫向布置如圖10所示。

圖10 主梁測試截面變位測點布置示意圖

為了獲得試驗荷載與結構變位、應變關系的連續曲線，并防止橋梁結構出現意外損傷，本次各試驗工況的試驗荷載均按3級加載、3級卸零。

2.4 動載試驗

動載試驗分為動力特性測試和動力響應測試，可以解決兩個問題：一是橋梁結構的自身動力性能，可用于結構動力特性評價；二是汽車荷載作用下橋梁結構的動態響應規律。

2.4.1 動力特性測試

動力特性測試主要測試三個參數，即自振頻率、振型和阻尼比，本試驗采用環境隨機激振法和行車激振法來識別結構的自振特性參數。根據理論振型分析結果，測試截面均按各跨跨徑的六等分截面簡化布置，每個截面在中央防撞護欄邊緣布設一個測點。具體布置情況如圖11和圖12所示。

圖11 動力特性測試截面示意圖

圖12 拾振傳感器橫向布置示意圖

2.4.2 動力響應測試

動力響應測試是指斜拉橋在特定動荷載作用下的動態輸出測試。本試驗通過測試動應變來獲得不同試驗工況下的動力放大系數，動力放大系數取同截面或者同部位多個測點的平均值，當進行多次試驗時也可取該試驗工況下的最大值。綜合考慮該斜拉橋的結構布置和現場條件，選取A-A 截面為測試截面，動應變測點的布置如圖13所示。

圖13 測試截面動應變測點布置示意圖

3 試驗結果分析

3.1 靜載試驗結果

3.1.1 應變測試結果

在各試驗工況荷載作用下，相應測試截面主要測點的應變實測值以及實測值與理論計算值對比分析結果如表2 及圖14、圖15所示，由于篇幅有限，表中僅選取主要測點。

表2 主要測點應變實測與理論對比分析結果

圖14 截面A-A各測點應變數據對比圖

圖15 截面D-D各測點應變數據對比圖

通過圖表數據分析可知，斜拉橋主要測點應變校驗系數在0.62～0.87，最大應變校驗系數出現在工況4的D-2測點，其值為0.87，小于1；相對殘余應變在6.91%～12.15%，不大于20%，說明斜拉橋主橋結構整體剛度大、強度高，橋梁初始狀態良好。

3.1.2 變位測試結果

在各試驗工況荷載作用下，相應測試截面主要測點的變位實測值與理論計算值對比分析結果如表3 所示，由于篇幅有限，表中僅選取主要測點。

表3 主要測點變位實測與理論對比分析結果

由表中數據可知，斜拉橋主要測點變位校驗系數在0.68～0.85，最大應變校驗系數出現在工況4的A-2和C-1測點，其值為0.85，小于1，即斜拉橋主塔縱橋向水平位移滿足要求；相對殘余變位在6.24%～11.12% 之間，不大于20%，說明斜拉橋結構初始狀態處于彈性狀態。

3.2 動載試驗結果

3.2.1 動力特性測試結果

計算分析斜拉橋主橋有限元模型得到該橋主梁的前二階豎向振型和自振頻率如圖16 和圖17 所示，實際測試的斜拉橋結構前二階豎向振型如圖18 和圖19 所示。由圖可知，實測前二階振型與計算振型均基本吻合，未見明顯變異區段。斜拉橋主梁豎向一階實測振型和計算振型均呈豎向反對稱彎曲，二階振型均呈豎向對稱彎曲。

圖16 豎向一階計算振型（f1=1.63Hz）

圖18 實測一階振型

圖19 實測二階振型

實際測試的前二階自振頻率、阻尼比與理論計算值對比如表4 所示。斜拉橋主梁實測前二階豎向彎曲振動頻率分別為2.10Hz、2.59Hz，均比計算值1.63Hz、2.06Hz 大，代表斜拉橋結構實際剛度大于其理論剛度。

表4 自振頻率和阻尼比測試結果

3.2.2 動力響應測試結果

采用無線動態應變采集器對各試驗工況的動應變曲線進行采集、分析，各試驗工況下實測動力放大系數與設計取用的沖擊系數對比如表5所示。

表5 動力放大系數測試結果

在各試驗工況荷載作用下，斜拉橋測試截面的動力放大系數均小于計算沖擊系數。其中無障礙行車工況下，當車速20 km/h 提高到30km/h 時，動力放大系數隨之增大。各試驗工況中有障礙行車的動力放大系數最大，說明橋梁的橋面鋪裝平整度對行駛車輛的沖擊影響比較大。

3.3 其他觀測結果

現場試驗前對主要受力構件的既有裂縫進行了詳細的調查和測試，既有裂縫分布在斜拉橋第4 跨和第5 跨底板表面，為橫向裂縫，最大寬度為0.19mm。試驗過程中利用裂縫測寬儀對選取控制截面附近的裂縫進行監測并觀測新裂縫的開展狀況，結果表明在各試驗工況荷載作用下，斜拉橋跨各裂縫最不利控制截面未見裂縫開展。在靜力試驗荷載作用下，斜拉橋結構未出現異常振動或者聲音等問題。

4 結論

本文基于橋梁結構驗收性荷載試驗對某主跨120m 的斜拉橋進行檢測評定，主要結論如下：

主橋靜載試驗主要測點應變校驗系數和變位校驗系數均小于1，相對殘余應變和相對殘余變位均不大于20%，說明斜拉橋主橋結構整體剛度大、強度高，橋梁初始狀態良好；

主橋動載試驗實測前二階豎向彎曲振動頻率大于計算值，測試截面的動力放大系數均小于計算沖擊系數，代表斜拉橋主橋結構實際剛度大于其理論剛度；

斜拉橋驗收性荷載試驗表明該橋梁現階段的正常使用狀態和承載能力滿足設計要求；

試驗前該斜拉橋結構出現的既有裂縫問題對荷載試驗的開展和結果分析沒有造成影響，也未出現新裂縫。