大跨径非对称独塔斜拉桥荷载试验分析

李翔 端茂军 魏洋 李国芬 程勋煜

摘 要：为详细地评定某斜拉桥的实际承载能力及状况，本文通过对该桥进行静动载试验，测试并分析静载试验中主梁控制截面的应变、桥面板局部应变、主梁挠度、塔顶纵向偏位及塔根应变等静力参数，以及在动载试验中测试桥梁的冲击系数、自振频率和振型等动力响应参数。分析结果表明：各测点的实测数据与计算一般都较为吻合，部分测点校验系数大于1.0，动载试验中部分冲击系数大于计算值，阻尼比为0.338%～1.115%，表明结构承载能力的偏低。该研究结论对同类桥梁承载能力分析具有一定的意义。

关键词：斜拉桥;静载试验;动载试验;承载能力

中图分类号： U446.1    文献标识码：A   文章编号：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

獨塔斜拉桥是近二十年发展起来的一种新型桥梁结构[1-2]。此外在桥梁运营期间，特别是沿海地区，钢筋锈蚀、混凝土碳化等因素会引起桥梁承载能力的变化[3-4]，荷载试验则是了解实际桥梁结构工作性能的方法[5]。

周磊等[6]对主跨跨径为380 m的斜拉桥伍佐河特大桥、石兆敏等[7]对主跨480 m的钢-混凝土组合梁斜拉桥椒江二桥主桥、黄宛昆等[8]对一座165 +115 m的单塔单索面斜拉桥、罗鸿等[9]对主跨跨径为 386 m 的双塔双索面斜拉桥、向勇等[10]对钢桁架斜拉桥、Slo-boda Bridg和Bayraktar等[11]对主跨351 m的双塔单索面斜拉桥 Nissibi Bridge、刘永健等[12]对一座主跨206 m的无背索斜塔斜拉桥、李元兵等[13]对主跨 1 088 m的苏通大桥进行了荷载试验验证了这些大桥在试验荷载作用下承载能力是否符合设计要求。

笔者以某大跨径非对称独塔斜拉桥为背景，在运营监测中发现主梁持续下挠的状况下对大桥的承载能力通过荷载试验分析，以期深入研究同类桥梁力学性能提供依据。

1 工程概况

某桥为大跨径非对称独塔斜拉桥跨径组合是111.8 m+180 m，结构形式采用双索面布置，斜拉索主跨和边跨各29对。主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱单室截面，箱梁宽度为24 m，中心梁高184.5 cm，两侧边缘高度为1.7 m，桥塔为“H”型箱形截面，塔高108 m。桥梁立面图布置如图1所示。

经过长时间的运营，对该桥的监测发现主梁持续下挠，主梁下挠最大处达到19 cm，基于桥梁当前的健康现状，为能详细地分析评定该桥的承载能力，对该桥进行了桥梁静动载试验。

2 静载试验

2.1 静载试验工况和测点布置

静载试验是将可以产生等效于设计作用效应的试验车辆施加在桥面的指定位置，采集结构在等效试验荷载作用下的静位移、静应变等参数，对桥梁在设计作用下的工作性能及承载能力进行评价[14-16]。

静载试验工况选择的测试截面为：主跨距桥塔140.66 m处（截面A）、边跨距桥塔38.66 m（截面B）、桥塔根部距桥面1.5 m（截面C）和塔顶（截面T）。选取H18号索为最大索力测试索，塔顶为最大偏位测试控制点，主梁主跨挠度测点19为最大挠度测试控制点，桥梁荷载试验主要控制截面及测点，如图1所示。

应用有限元软件Ansys软件建立桥梁模型，该桥的全桥空间模型如图2所示。

由模型计算结果得出，此次静载试验共采用12辆载重卡车作为试验加载车辆，每车配重至300 kN，桥梁荷载试验共两个工况，其中工况一为主跨分三级加载，工况二为边跨分两级加载，静载试验加载车辆布置如图3所示，计算得到的斜拉桥静载试验工况试验效率见表1。由表1可以得到每个控制目标下试验效率均满足《公路桥梁承载能力评定规程》（JTG/T J21-2011）中规定的0.95≤η≤1.05。

2.2 静载试验结果分析

2.2.1 主梁及桥面板局部应变

梁肋A截面在工况一及B截面在工况二作用下测点应变随梁高变化规律分别如图4和图5所示。

应变校验系数中A截面的测点Z4、Z6、Z7、Z8的校验系数超过1.0，说明此工况下主梁结构的强度较差。B截面的校验系数在0.62～0.88。主要控制点的相对残余应变Sp/St最大值为10.3%，残余应变满足规范要求。

主梁桥面板局部应变结果对应于工况一的第一级加载，桥面板下表面应变实测与计算值分布如图6所示，分布规律较吻合，横桥向实测应变值一般都大于计算值，经计算校验系数最大值1.80（横桥向）、1.15（纵桥向），均不满足规范中要求的校验系数小于1.0的规定。

2.2.2主梁挠度

主梁最大变形发生在工况一第三级加载作用下，主梁竖向位移测点布置如图7所示。

实测（上游侧、下游侧）与计算变形沿桥长方向的分布如图8所示，从图8中可以看出主梁实测值一般小于计算值，边跨上游实测值部分测点大于理论值，上游侧和下游侧的实测变形基本相同，主梁沿桥长方向的变形分布规律与计算较为吻合，主要测点的校验系数均为0.93左右，校验系数偏大，说明结构刚度偏低。相对残余变形最大值为1.9%，说明桥梁处于较好的弹性工作状，满足规范要求。

2.2.3 塔顶位移和塔根部应变

塔顶最大位移和塔根部（截面C）最大受力均发生在工况一第三级加载作用下，经分析塔顶位移校验系数和相对残余变位均满足要求，但校验系数偏高。主塔截面C应变测点布置如图9所示，其中括号内的测点为上游侧主塔应变测点。

應变测点分析数据见表2，由表2可以看出除了没有测出的数据，塔根截面C的应变校验系数均满足要求。

2.2.4 斜拉索索力增量

斜拉桥斜拉索在工况一第三级加载作用下增量最大，其主要控制（上游侧、下游侧）斜拉索（H14～H20）索力分布如图10所示，各检测索的索力实测分布规律与计算较为吻合，但大部分实测值大于计算值，上游侧和下游侧的实测索力基本一致，校验系数在1.00～1.24之间，不满足校验系数小于1.0的要求。

3 动载试验

当结构的物理特性发生变化时，不但静力特性发生变化，而且动力特性也发生变化，这一变化对于现状评估有重要意义[17-19]。

3.1 自振特性

该桥自振特性参数测定采用941B传感器进行测定（哈尔滨工力所生产），传感器信号采用北京东方振动测试技术研究所生产的INV3062A信号采集仪进行数据采集，并用DASP2010工程版软件进行分析与处理。自振特性测点布置如图11所示，其中T表示横桥向布置，V表示竖桥向布置，L表示纵桥向布置。该桥自振特性试验的固有模态参数分析（自振频率、模态振型）见表3，实测各阶模态对应的阻尼比处于0.338%～1.115%之间，其中阻尼比无计算数据。由于篇幅有限，计算模态与实测模态取前三阶展示，如图12～图14所示。

该桥实测各阶次自振频率均略大于计算值，说明桥梁整体稍优于设计状态，实测阻尼比偏低，说明桥梁减振性能较差，实测各阶次的模态振型与计算基本一致。

3.2 强迫振动试验

强迫振动试验中，实测冲击系数见表4。

由表4可见冲击系数随着车速的增大而增加，且与路面平整度有关，当桥面平顺性不佳或铺装层有坑槽等病害对桥跨结构的冲击作用明显增加。根据试验结果，当载重车车速在40 km/h左右，以及跳跃桥面障碍物时，大于本桥的设计冲击系数1.05。

4 结论

（1）在静载试验工况作用下，各实测数据与计算值一般都较吻合，但校验系数偏大，说明结构刚度偏低，部分测点校验系数大于1.0，不满足验系ζ数值不大于1.0的规定，说明结构承载能力的安全储备偏低。

（2）在静载试验后结构残余变形较小，该桥在静荷载卸载后的结构相对残余应变最大值为10.3%，相对残余变形最大值为1.9%，符合规范规定的20%，说明桥梁在设计可变作用下结构弹性工作受力状态良好。

（3）在桥梁静载试验过程中，没有发生明显异响现象，横隔板侧面斜裂缝在车辆加载工况作用下缝宽减小，说明横隔板裂缝在桥面车辆作用下不会开展，横隔板裂缝不是由于桥面行车产生。

（4）在动载试验作用下，得出当载重车车速在40 km/h左右，以及跳跃桥面障碍物时，大于本桥的设计冲击系数1.05。实测各阶次的模态振型与计算值基本一致，实测各阶模态对应的阻尼比处于0.338%～1.115%之间，阻尼比的常规值为1%～5%，即该桥的阻尼比偏低，说明桥梁的减振性能较差。

【参 考 文 献】

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