李翔 端茂軍 魏洋 李國芬 程勛煜

摘 要：為詳細(xì)地評定某斜拉橋的實際承載能力及狀況，本文通過對該橋進(jìn)行靜動載試驗，測試并分析靜載試驗中主梁控制截面的應(yīng)變、橋面板局部應(yīng)變、主梁撓度、塔頂縱向偏位及塔根應(yīng)變等靜力參數(shù)，以及在動載試驗中測試橋梁的沖擊系數(shù)、自振頻率和振型等動力響應(yīng)參數(shù)。分析結(jié)果表明：各測點的實測數(shù)據(jù)與計算一般都較為吻合，部分測點校驗系數(shù)大于1.0，動載試驗中部分沖擊系數(shù)大于計算值，阻尼比為0.338%～1.115%，表明結(jié)構(gòu)承載能力的偏低。該研究結(jié)論對同類橋梁承載能力分析具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;靜載試驗;動載試驗;承載能力

中圖分類號： U446.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2019）05-0091-07

Abstract：In order to evaluate the actual bearing capacity and condition of a cable-stayed bridge in detail， the static and dynamic load tests of the bridge are carried out to test and analyze the static parameters such as the strain of the main girder control section， the local strain of the bridge deck， the deflection of the main girder， the vertical deviation of the tower top and the strain of the tower root， and the dynamic response of the bridge， such as impact coefficient， natural frequency and mode of vibration. The analysis results show that the measured data of each measuring point are generally in good agreement with the calculation. The check coefficient of some measuring points is greater than 1.0， and the impact coefficient is greater than the calculated value in the dynamic load test. The damping ratio is 0.338%-1.115%， which indicates that the bearing capacity of the structure is low. The research conclusion has certain significance for the analysis of the bearing capacity of similar bridges.

Keywords：Cable-stayed bridge; static load test; dynamic load test; bearing capacity

0 引言

獨塔斜拉橋是近二十年發(fā)展起來的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)[1-2]。此外在橋梁運營期間，特別是沿海地區(qū)，鋼筋銹蝕、混凝土碳化等因素會引起橋梁承載能力的變化[3-4]，荷載試驗則是了解實際橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的方法[5]。

周磊等[6]對主跨跨徑為380 m的斜拉橋伍佐河特大橋、石兆敏等[7]對主跨480 m的鋼-混凝土組合梁斜拉橋椒江二橋主橋、黃宛昆等[8]對一座165 +115 m的單塔單索面斜拉橋、羅鴻等[9]對主跨跨徑為 386 m 的雙塔雙索面斜拉橋、向勇等[10]對鋼桁架斜拉橋、Slo-boda Bridg和Bayraktar等[11]對主跨351 m的雙塔單索面斜拉橋 Nissibi Bridge、劉永健等[12]對一座主跨206 m的無背索斜塔斜拉橋、李元兵等[13]對主跨 1 088 m的蘇通大橋進(jìn)行了荷載試驗驗證了這些大橋在試驗荷載作用下承載能力是否符合設(shè)計要求。

筆者以某大跨徑非對稱獨塔斜拉橋為背景，在運營監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)主梁持續(xù)下?lián)系臓顩r下對大橋的承載能力通過荷載試驗分析，以期深入研究同類橋梁力學(xué)性能提供依據(jù)。

1 工程概況

某橋為大跨徑非對稱獨塔斜拉橋跨徑組合是111.8 m+180 m，結(jié)構(gòu)形式采用雙索面布置，斜拉索主跨和邊跨各29對。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室截面，箱梁寬度為24 m，中心梁高184.5 cm，兩側(cè)邊緣高度為1.7 m，橋塔為“H”型箱形截面，塔高108 m。橋梁立面圖布置如圖1所示。

經(jīng)過長時間的運營，對該橋的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)主梁持續(xù)下?lián)?，主梁下?lián)献畲筇庍_(dá)到19 cm，基于橋梁當(dāng)前的健康現(xiàn)狀，為能詳細(xì)地分析評定該橋的承載能力，對該橋進(jìn)行了橋梁靜動載試驗。

2 靜載試驗

2.1 靜載試驗工況和測點布置

靜載試驗是將可以產(chǎn)生等效于設(shè)計作用效應(yīng)的試驗車輛施加在橋面的指定位置，采集結(jié)構(gòu)在等效試驗荷載作用下的靜位移、靜應(yīng)變等參數(shù)，對橋梁在設(shè)計作用下的工作性能及承載能力進(jìn)行評價[14-16]。

靜載試驗工況選擇的測試截面為：主跨距橋塔140.66 m處（截面A）、邊跨距橋塔38.66 m（截面B）、橋塔根部距橋面1.5 m（截面C）和塔頂（截面T）。選取H18號索為最大索力測試索，塔頂為最大偏位測試控制點，主梁主跨撓度測點19為最大撓度測試控制點，橋梁荷載試驗主要控制截面及測點，如圖1所示。

應(yīng)用有限元軟件Ansys軟件建立橋梁模型，該橋的全橋空間模型如圖2所示。

由模型計算結(jié)果得出，此次靜載試驗共采用12輛載重卡車作為試驗加載車輛，每車配重至300 kN，橋梁荷載試驗共兩個工況，其中工況一為主跨分三級加載，工況二為邊跨分兩級加載，靜載試驗加載車輛布置如圖3所示，計算得到的斜拉橋靜載試驗工況試驗效率見表1。由表1可以得到每個控制目標(biāo)下試驗效率均滿足《公路橋梁承載能力評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中規(guī)定的0.95≤η≤1.05。

2.2 靜載試驗結(jié)果分析

2.2.1 主梁及橋面板局部應(yīng)變

梁肋A截面在工況一及B截面在工況二作用下測點應(yīng)變隨梁高變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。

應(yīng)變校驗系數(shù)中A截面的測點Z4、Z6、Z7、Z8的校驗系數(shù)超過1.0，說明此工況下主梁結(jié)構(gòu)的強度較差。B截面的校驗系數(shù)在0.62～0.88。主要控制點的相對殘余應(yīng)變Sp/St最大值為10.3%，殘余應(yīng)變滿足規(guī)范要求。

主梁橋面板局部應(yīng)變結(jié)果對應(yīng)于工況一的第一級加載，橋面板下表面應(yīng)變實測與計算值分布如圖6所示，分布規(guī)律較吻合，橫橋向?qū)崪y應(yīng)變值一般都大于計算值，經(jīng)計算校驗系數(shù)最大值1.80（橫橋向）、1.15（縱橋向），均不滿足規(guī)范中要求的校驗系數(shù)小于1.0的規(guī)定。

2.2.2主梁撓度

主梁最大變形發(fā)生在工況一第三級加載作用下，主梁豎向位移測點布置如圖7所示。

實測（上游側(cè)、下游側(cè)）與計算變形沿橋長方向的分布如圖8所示，從圖8中可以看出主梁實測值一般小于計算值，邊跨上游實測值部分測點大于理論值，上游側(cè)和下游側(cè)的實測變形基本相同，主梁沿橋長方向的變形分布規(guī)律與計算較為吻合，主要測點的校驗系數(shù)均為0.93左右，校驗系數(shù)偏大，說明結(jié)構(gòu)剛度偏低。相對殘余變形最大值為1.9%，說明橋梁處于較好的彈性工作狀，滿足規(guī)范要求。

2.2.3 塔頂位移和塔根部應(yīng)變

塔頂最大位移和塔根部（截面C）最大受力均發(fā)生在工況一第三級加載作用下，經(jīng)分析塔頂位移校驗系數(shù)和相對殘余變位均滿足要求，但校驗系數(shù)偏高。主塔截面C應(yīng)變測點布置如圖9所示，其中括號內(nèi)的測點為上游側(cè)主塔應(yīng)變測點。

應(yīng)變測點分析數(shù)據(jù)見表2，由表2可以看出除了沒有測出的數(shù)據(jù)，塔根截面C的應(yīng)變校驗系數(shù)均滿足要求。

2.2.4 斜拉索索力增量

斜拉橋斜拉索在工況一第三級加載作用下增量最大，其主要控制（上游側(cè)、下游側(cè)）斜拉索（H14～H20）索力分布如圖10所示，各檢測索的索力實測分布規(guī)律與計算較為吻合，但大部分實測值大于計算值，上游側(cè)和下游側(cè)的實測索力基本一致，校驗系數(shù)在1.00～1.24之間，不滿足校驗系數(shù)小于1.0的要求。

3 動載試驗

當(dāng)結(jié)構(gòu)的物理特性發(fā)生變化時，不但靜力特性發(fā)生變化，而且動力特性也發(fā)生變化，這一變化對于現(xiàn)狀評估有重要意義[17-19]。

3.1 自振特性

該橋自振特性參數(shù)測定采用941B傳感器進(jìn)行測定（哈爾濱工力所生產(chǎn)），傳感器信號采用北京東方振動測試技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3062A信號采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并用DASP2010工程版軟件進(jìn)行分析與處理。自振特性測點布置如圖11所示，其中T表示橫橋向布置，V表示豎橋向布置，L表示縱橋向布置。該橋自振特性試驗的固有模態(tài)參數(shù)分析（自振頻率、模態(tài)振型）見表3，實測各階模態(tài)對應(yīng)的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，其中阻尼比無計算數(shù)據(jù)。由于篇幅有限，計算模態(tài)與實測模態(tài)取前三階展示，如圖12～圖14所示。

該橋?qū)崪y各階次自振頻率均略大于計算值，說明橋梁整體稍優(yōu)于設(shè)計狀態(tài)，實測阻尼比偏低，說明橋梁減振性能較差，實測各階次的模態(tài)振型與計算基本一致。

3.2 強迫振動試驗

強迫振動試驗中，實測沖擊系數(shù)見表4。

由表4可見沖擊系數(shù)隨著車速的增大而增加，且與路面平整度有關(guān)，當(dāng)橋面平順性不佳或鋪裝層有坑槽等病害對橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用明顯增加。根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時，大于本橋的設(shè)計沖擊系數(shù)1.05。

4 結(jié)論

（1）在靜載試驗工況作用下，各實測數(shù)據(jù)與計算值一般都較吻合，但校驗系數(shù)偏大，說明結(jié)構(gòu)剛度偏低，部分測點校驗系數(shù)大于1.0，不滿足驗系ζ數(shù)值不大于1.0的規(guī)定，說明結(jié)構(gòu)承載能力的安全儲備偏低。

（2）在靜載試驗后結(jié)構(gòu)殘余變形較小，該橋在靜荷載卸載后的結(jié)構(gòu)相對殘余應(yīng)變最大值為10.3%，相對殘余變形最大值為1.9%，符合規(guī)范規(guī)定的20%，說明橋梁在設(shè)計可變作用下結(jié)構(gòu)彈性工作受力狀態(tài)良好。

（3）在橋梁靜載試驗過程中，沒有發(fā)生明顯異響現(xiàn)象，橫隔板側(cè)面斜裂縫在車輛加載工況作用下縫寬減小，說明橫隔板裂縫在橋面車輛作用下不會開展，橫隔板裂縫不是由于橋面行車產(chǎn)生。

（4）在動載試驗作用下，得出當(dāng)載重車車速在40 km/h左右，以及跳躍橋面障礙物時，大于本橋的設(shè)計沖擊系數(shù)1.05。實測各階次的模態(tài)振型與計算值基本一致，實測各階模態(tài)對應(yīng)的阻尼比處于0.338%～1.115%之間，阻尼比的常規(guī)值為1%～5%，即該橋的阻尼比偏低，說明橋梁的減振性能較差。

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