谷國強　張學(xué)亮　陳賀功　吳季華

（上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上?！?00331）

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獨塔寬幅斜拉橋荷載試驗與分析

谷國強張學(xué)亮陳賀功吳季華

（上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，上海200331）

摘要：介紹了黃山市某獨塔寬幅單索面斜拉橋動、靜載試驗的主要內(nèi)容和方法，說明了寬幅斜拉橋測點布置情況，分析了該橋結(jié)構(gòu)的實測應(yīng)力、撓度、動力特性與理論計算值，試驗結(jié)果表明，橋梁校驗系數(shù)均小于1，橋梁的剛度和承載能力滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：靜載試驗，振動特性，動載試驗，校驗系數(shù)

1　工程概況

黃山市某獨塔斜拉橋為一座獨塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長240 m，跨徑組合為130 m + 110 m，全寬34 m，結(jié)構(gòu)采用塔、墩、梁固結(jié)體系。

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱五室截面，主梁標(biāo)準(zhǔn)階段6 m及4 m，每根斜拉索處設(shè)置一道橫隔梁。主塔采用獨柱式空心矩形斷面，橋塔順橋向?qū)挾葹?. 0 m，橫橋向厚度為4. 0 m，主墩墩身采用類似橢圓形單箱雙室截面。斜拉索采用雙索面扇形布置，拉索在梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為6. 0 m及4. 0 m，塔上標(biāo)準(zhǔn)間距為2. 0 m，斜拉索單側(cè)19對，全橋共76根。主橋雙向四車道，計算行車速度40 km/h，設(shè)計荷載公路—Ⅰ級。

橋梁通車前進(jìn)行靜、動載試驗，通過測試橋跨結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)及振動特性，評價其在設(shè)計荷載下的工作性能，檢驗橋梁承載力是否滿足設(shè)計要求，為大橋通車前的交工驗收提供技術(shù)依據(jù)。同時該橋斜拉橋是寬幅橋，又是單索面，對偏載作用下的橋梁撓度進(jìn)行分析，是否影響橋梁運營安全。橋型布置見圖1，主梁1/2跨中斷面結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖1　橋型布置圖（單位：cm）

圖2　主梁1/2跨中斷面結(jié)構(gòu)尺寸（單位：cm）

2　荷載試驗實施方法

利用橋梁計算專用軟件Midas Civil建立有限元模型，主要控制截面是根據(jù)斜拉橋在活載作用下橋梁的內(nèi)力包絡(luò)圖確定的?？刂平孛嫒鐖D1所示。

2.2測點布置

靜載試驗主要工作內(nèi)容為測試主要控制截面的應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度、斜拉索索力增量和塔頂水平位移。

1）應(yīng)力測試。橋梁應(yīng)力測點布置在應(yīng)力控制截面的底板、腹板、頂板上，測量縱向應(yīng)力；索塔底部沿塔高度的豎向應(yīng)力。測點布置如圖3，圖4所示。應(yīng)力測試采用混凝土表面粘貼電阻式應(yīng)變片，采用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變采集儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3　箱梁應(yīng)力測點布置圖

圖4　索塔應(yīng)力測點布置圖

2）撓度測試。由于該橋?qū)儆趯挿鶚颍谄d作用下左右兩側(cè)翼緣板與梁底撓度會出現(xiàn)較大的差別，撓度測點布置在梁底和翼緣板底。主梁每個截面5個測點，共計35個測點，測點處粘貼小棱鏡，利用2臺Leica TS50全站儀在主橋上下游150 m處分別進(jìn)行測試。全站儀的測距精度為0. 6 mm + 1 ppm、測角標(biāo)準(zhǔn)差為±0. 5″。測點布置如圖3所示。

3）索塔水平位移。索塔頂布置2個測點，測試索塔頂水平位移，測點處粘貼小棱鏡，利用2臺Leica TS50全站儀進(jìn)行測試。

4）斜拉索增量測試。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算，主跨上、下游側(cè)9號～11號索在設(shè)計荷載作用下索力增量較大，選擇這6根索測試試驗工況下的索力增量。測點位置見圖1中6斷面。測試索上安裝941B低頻加速傳感器，采用INV3020C采集分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(2)棉花是新疆的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，而且新疆也是棉花優(yōu)良的天然種植地，根據(jù)“規(guī)劃”調(diào)棉能夠?qū)崿F(xiàn)文中所設(shè)定的力度。文章僅從節(jié)水的視角，設(shè)定調(diào)棉規(guī)模，且在結(jié)構(gòu)調(diào)整的實施過程中，大部分種植戶最在乎的是該農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益，而考慮環(huán)境影響次之，因此需要一定的推廣講座和補貼措施，引導(dǎo)農(nóng)戶逐步轉(zhuǎn)變種植觀念。

2.3加載方案

試驗加載方案主要根據(jù)設(shè)計荷載在結(jié)構(gòu)控制截面上產(chǎn)生的最不利荷載效應(yīng)計算得到，根據(jù)控制截面的活載影響線計算確定各個試驗工況所需要的加載車輛和加載位置。為了充分反映結(jié)構(gòu)的受力特點，一般要求選擇較高的試驗效率，根據(jù)規(guī)定，試驗效率控制在0. 95～1. 05［1］。該橋試驗控制荷載為公路—Ⅰ級，經(jīng)計算，確定需12輛每輛總重為300 kN的三軸車加載，前軸重60 kN，中后軸各重120 kN。試驗加載工況及加載效率見表1。

表1　靜載試驗加載工況及荷載效率

3　靜載試驗結(jié)果分析與評定

通過對各試驗工況下主要控制截面的實測應(yīng)力、撓度、塔頂變位和索力增量與理論值進(jìn)行對比，評定橋梁承載能力是否滿足設(shè)計要求。應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度、塔頂水平位移、索力增量試驗結(jié)果見表2～表6。

表2　主梁和主塔實測應(yīng)力值與計算值對比表

表3　主梁實測撓度值與計算值對比表

表4　截面5各測點撓度測試結(jié)果　mm

控制截面　試驗工況　實測/MPa　理論值/MPa 校驗系數(shù)主塔5截面　工況5　-13. 7　-14. 1　0. 97

表5　塔頂實測水平位移與計算值對比表

3.1應(yīng)力分析

表2是主梁主要控制截面實測應(yīng)力與計算應(yīng)力對比表。主梁應(yīng)力的校驗系數(shù)在0. 54～0. 94之間，主塔應(yīng)力校驗系數(shù)在0. 53～0. 68之間，校驗系數(shù)全部小于1，說明主梁和主塔實際強度大于理論計算值，滿足設(shè)計要求。

3.2主梁撓度分析

表3是主梁控制截面實測撓度與理論計算撓度對比表。主梁撓度的校驗系數(shù)在0. 82～0. 97之間，校驗系數(shù)全部小于1，說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度，說明在試驗荷載下結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表4給出了截面5各撓度測點在對稱加載和偏載時的撓度測試結(jié)果，從測試結(jié)果可以看出，由于該橋為寬幅橋，且為單索面，車輛偏載時翼緣板的撓度與底板的撓度出現(xiàn)較大差別，為了測試精確度，對寬幅橋應(yīng)在底板和翼緣板底分別設(shè)置測點。通過表4的數(shù)據(jù)可以分析得出主梁的偏載系數(shù)為1. 08，偏載系數(shù)較小，表明該橋橫向剛度較大，偏載效應(yīng)不明顯，偏載時能保證橋梁安全。

3.3主塔塔頂變位分析

表5是索塔頂實測變位與理論計算變位對比表。主塔塔頂水平位移的校驗系數(shù)為0. 97，校驗系數(shù)小于規(guī)范限值1，主塔塔頂實測水平位移與理論計算值吻合較好，說明主塔整體剛度較好，滿足設(shè)計要求。

3.4索力增量分析

表6是斜拉索實測索力增量與理論計算值對比表。實測索力增量的校驗系數(shù)在0. 94～0. 97之間，校驗系數(shù)小于1，斜拉索的索力增量略小于理論計算值，表明斜拉索受力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

3.5相對殘余變位（應(yīng)變）分析

相對殘余變位（應(yīng)變）是反映結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)的參數(shù)，數(shù)值越小，說明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀態(tài)。本橋的主要撓度測點相對殘余變位在0%～5. 25%，主要應(yīng)變測點相對殘余應(yīng)變在0%～7. 61%，均不超過相對殘余變位（應(yīng)變）20%的限值。

4　自振特性測試

橋梁自振特性的測試采用環(huán)境隨機(jī)振動法。在橋面無任何交通荷載以及橋梁附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動響應(yīng)，將各測量點的加速度信號記錄下來。測得結(jié)構(gòu)的振型、自振頻率和阻尼比等動力學(xué)特征。

選擇在沿主梁縱橋的每跨四分點處截面為豎向振動測試截面，主跨和邊跨共計9個振動測試截面，在每個截面上游、下游的車行道邊緣處各布置1個測點，采集橋梁主梁豎向加速度數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析。從表7的結(jié)果可以看出，主梁實測頻率大于理論計算頻率，說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論設(shè)計值，實測振型與理論振型一致，符合設(shè)計要求。

表7　橋梁自振特性實測值與理論計算值對比表

實測一、二階振型如圖5，圖6所示。

圖5　實測一階振型圖

圖6　實測二階振型圖

5　結(jié)語

1）在靜載試驗時，實測主梁應(yīng)變和撓度、索塔應(yīng)力、塔頂水平位移以及索力增量均小于理論計算值，主要控制截面相對殘余變位（應(yīng)變）在0%～7. 61%之間。說明主梁、索塔強度和剛度性能較好，結(jié)構(gòu)在試驗荷載下處于彈性狀態(tài)，符合設(shè)計要求。

2）通過該橋自振頻率和振型與理論計算值比較，結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論設(shè)計值，實測振型與理論振型一致，符合設(shè)計要求。

3）靜、動載試驗結(jié)果表明該斜拉橋在相當(dāng)于設(shè)計規(guī)定的車輛荷載等級的試驗荷載作用下，滿足設(shè)計荷載等級（公路—Ⅰ級）的使用要求。

4）根據(jù)寬幅獨特斜拉橋的受力特點，提出了對本橋有針對性的控制截面測點布置方案，試驗結(jié)果表明車輛偏載時翼緣板的撓度與底板的撓度出現(xiàn)較大差別，因此，對寬幅橋應(yīng)在底板和翼緣板底分別設(shè)置撓度測點，該方案可為其他寬幅斜拉橋荷載試驗提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

On loading tests and analysis of single-tower and wide cable-stayed bridges

Gu Guoqiang Zhang Xueliang Chen Hegong Wu Jihua
（Shanghai Tongna Construction Engineering Quality Testing Co.，Ltd，Shanghai 200331，China）

Abstract：The paper introduces the main contents and methods for the single cable-stayed bridge and static loading of some single-tower and wide cable-stayed bridges in Huangshan City，indicates the testing points allocation of the bridge，analyzes the tested stress，deflection，and dynamic features，and theoretic calculation，and proves by the result that the bridge checking coefficient is no more than 1 and its stiffness and loading capacity can meet the design demands.

Key words：static loading test，vibration feature，dynamic loading test，checking coefficient

中圖分類號：U448. 27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0179-03

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：谷國強（1983-），男，碩士，工程師；張學(xué)亮（1981-），男，碩士，工程師；陳賀功（1981-），男，碩士，工程師；吳季華（1987-），男，工程師