基于荷載試驗的獨塔雙跨單索面疊合梁斜拉橋承載能力研究

彭武忠 劉龍平 許小鵬 劉如

摘要 橋梁荷載試驗是一種較直接有效的在役橋梁承載能力評定方法。文章以唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋工程為背景，建立主橋全橋仿真分析模型，進行最不利工況下的仿真分析，并實施橋梁荷載試驗。試驗結(jié)果表明曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋試驗跨剛度及強度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。工程實踐結(jié)果表明：該文仿真分析方法及荷載試驗方案可行，可對其他中小跨徑獨塔斜拉橋荷載試驗及承載能力評定提供參考。

關(guān)鍵詞 承載能力評定;斜拉橋;荷載試驗

中圖分類號 U441.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0074-03

收稿日期：2022-03-15

作者簡介：彭武忠（1988—），男，碩士，中級工程師，研究方向：橋梁檢測。

0 前言

隨著我國公路與橋梁建設(shè)飛速發(fā)展，我國已成為橋梁大國。由于在役橋梁設(shè)計荷載等級略低，部分橋梁已不滿足交通需求，加之養(yǎng)護不到位，使用過程中未及時修復缺損，造成橋梁老化日趨嚴重[1]。

方華兵等對重慶朝天門長江大橋成橋荷載試驗進行了研究[2];肖永剛等對常見預應力簡支空心板荷載試驗方式進行承載能力判斷的方法進行了研究[3]。王華等基于橋梁荷載試驗分析了某山區(qū)大跨徑單箱拱橋橫向剛度分布，并與理論研究對比分析[4]。由此可見基于荷載試驗對橋梁承載能力進行評估仍然是目前運用較多的一種方法，同時也間接表明橋梁荷載試驗是一種常用的、較直接有效的在役橋梁承載能力評定的方法。

1 工程概況及荷載試驗模型

1.1 工程概況

曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋主橋全長276 m，采用跨徑為2×138 m的獨塔單索面疊合梁斜拉橋。該橋為塔梁分離中小跨徑斜拉橋，斜拉索呈扇形布置，共計32對斜拉索。主塔為獨柱形混凝土塔。主梁采用單箱三室鋼混疊合梁，梁高4 m。

1.2 荷載試驗模型

根據(jù)曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋主橋受力特性，建立主橋Midas Civil仿真分析模型，對荷載試驗各工況荷載作用下結(jié)構(gòu)受力進行仿真分析。該橋?qū)儆谥行】鐝叫崩瓨蚍懂牐Y(jié)構(gòu)受力非線性不明顯，可簡化為線性受力模型。索單元則采用桁架單元模擬，不考慮索初始內(nèi)力。承臺底部建立5 m長群樁基礎(chǔ)，以模擬樁土效應。主橋模型圖如圖1所示。

2 靜載試驗

2.1 測試截面與測點布置

2.1.1 測試截面確定

主梁最大正彎矩測試截面位于距梁簡支端42.7 m處。主梁塔柱處最大負彎矩測試截面位于索塔處支撐點偏向大樁號側(cè)1.5 m處。索塔應變測試截面受現(xiàn)場檢測條件所限，選取橫梁處索塔截面。

2.1.2 測點布置

疊合梁測點分布示意圖見圖2，索塔測點分布示意圖見圖3。索塔偏位測點布置于索塔處斜拉索最高錨固端上緣，且在一側(cè)布置2個測點。

2.2 靜載試驗車輛及各工況效率系數(shù)

該橋荷載試驗中采用與設(shè)計荷載等效的荷載進行加載，試驗中加載車輛選用同一型載重四軸汽車，單輛車總重410 kN（前兩軸重120 kN，后兩軸重290 kN）。

將各工況荷載試驗效率系數(shù)匯入表1中。

表1表明：在各工況試驗荷載作用下，曹妃甸工業(yè)區(qū)1#橋主橋效率系數(shù)介于0.95～1.05之間，滿足規(guī)范規(guī)定，主橋承載力得到充分試驗，且不會損傷橋梁結(jié)構(gòu)。

2.3 靜載試驗結(jié)果及分析

2.3.1 位移測試

工況1試驗荷載作用下，橋面測點最大撓度值為49.87 mm，殘余為0.52 mm，理論值為54.19 mm，校驗系數(shù)為0.91，相對殘余1.04%。工況3試驗荷載作用下，橋面測點最大撓度值為51.31 mm，殘余為1.71 mm，理論值為54.19 mm，校驗系數(shù)為0.92，相對殘余3.33%。

工況1、工況3主梁最大正彎矩測試工況荷載作用下，撓度測點實測最大值均小于理論最大值，撓度校驗系數(shù)介于0.85～0.92之間，相對殘余撓度最大值為7.77%≤20%，試驗跨整體剛度滿足規(guī)范要求。

2.3.2 應變測試

工況1、工況2、工況3應變測點測試結(jié)果如下：主梁測試截面梁底關(guān)鍵應變測點校驗系數(shù)介于0.71～0.81之間，殘余應變介于2.88%～8.33%之間。工況4應變測點測試結(jié)果如下：索塔測試截面校驗系數(shù)介于0.75～0.79之間，殘余應變介于4.55%～7.89%之間。

在各工況各級荷載作用下，關(guān)鍵應變測點實測值均小于理論值。測試結(jié)果表明主梁及索塔截面強度滿足規(guī)范要求。

2.3.3 索力測試

在工況4最大試驗荷載作用下，27-10-1#索索力增量實測最大值為253 kN<理論索力增量361 kN、27-10-2#索索力增量實測最大值為260 kN<理論索力增量361 kN、27-11-1#索索力增量實測最大值為265 kN<理論索力增量361 kN、27-11-2#索索力增量實測最大值為258 kN<理論索力增量361 kN。

工況4最大試驗荷載作用下，索力實測值均小于理論值。測試結(jié)果表明結(jié)構(gòu)實際受力與仿真分析相符合，斜拉索索力滿足設(shè)計要求。

2.3.4 塔偏測試

在工況4最大試驗荷載作用下，獨柱索塔縱橋向偏位測點實測最大值為23 mm<理論值34 mm，且殘余偏位實測最大值為9.52%<20%。

工況4最大試驗荷載作用下，獨柱索塔縱橋向偏位測點實測值均小于理論值，且卸載后索塔偏位恢復較好。測試結(jié)果表明結(jié)構(gòu)實際受力與仿真分析相符合，索塔剛度滿足設(shè)計要求。

3 橋梁動載試驗

3.1 試驗項目

（1）試驗橋跨測試截面行車動力響應，采用在疊合梁梁底表面粘貼應變式傳感器，通過DH3822施工狀態(tài)檢測系統(tǒng)，分析試驗橋跨的動應變、動力放大系數(shù)、沖擊系數(shù)等。

（2）試驗橋跨結(jié)構(gòu)動力特性，采用在試驗截面布置速度傳感器，采集信號，求解試驗橋跨的固有頻率等。

3.2 動載試驗內(nèi)容及測點布置

試驗橋跨的動載測試采用跑車試驗及脈動試驗工況進行測試。

（1）跑車試驗：用2輛靜載試驗車輛在橋面橫向并排，以30 km/h、40 km/h、50 km/h速度，勻速通過測試橋跨，測定橋梁結(jié)構(gòu)在各種行車速度下的動應變，計算試驗跨結(jié)構(gòu)實測動力放大系數(shù)。跑車試驗測點采用各跨靜載試驗截面梁底板應變測點。

（2）脈動試驗：橋面無車輛通行、測試跨附近無規(guī)則振源的情況下，通過測定橋梁由風荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。主橋脈動試驗測點布置為各跨8等分點處截面。測試時采用7/8 L處測點為不動點。

3.3 動載試驗結(jié)果及分析

3.3.1 脈動試驗

脈動試驗測試結(jié)果如下：①第1階：實測頻率0.635>理論頻率0.605;②第2階：實測頻率1.074>理論頻率1.034;③第3階：實測頻率1.611>理論頻率1.604。前三階實測頻率均大于理論頻率，實測振型與理論振型一致。

由此可知：試驗跨整體剛度滿足規(guī)范要求，仿真分析與實際貼合。

3.3.2 跑車試驗

將跑車試驗各工況動應變測試結(jié)果進行分析，將實測動力方法系數(shù)列入表2中。

由表2可知，實測動力放大系數(shù)最大值為0.107，略大于理論沖擊系數(shù)0.05。（該橋豎向振動基頻為0.605，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[5]4.3.2款中第5條中規(guī)定，理論基頻小于1.5 Hz，理論沖擊系數(shù)取值0.05。）

導致該測試結(jié)果出現(xiàn)原因可能為：①動載試驗荷載效率系數(shù)偏小，動應變較小，導致計算沖擊系數(shù)偏大;②橋面伸縮縫型鋼斷裂、脫落，會增加行車的不平順，導致車輛對梁體的沖擊作用增大。

4 結(jié)論

（1）采用荷載試驗方式對在役橋梁進行承載能力評定，可以較為直觀地對橋梁承載能力進行一個評判。

（2）橋梁荷載試驗中，動載試驗效率系數(shù)不宜過低，否則影響沖擊系數(shù)的測試結(jié)果。

（3）對僅需進行荷載試驗方式評定承載能力的中小跨徑斜拉橋，可采用線性結(jié)構(gòu)模擬，以便簡化建模過程，提高計算效率，且降低建模出錯率。

（4）靜載試驗結(jié)果表明：各控制截面關(guān)鍵應變及關(guān)鍵撓度測點校驗系數(shù)滿足規(guī)范要求。相對殘余應變及相對殘余變形滿足規(guī)范要求。在各工況荷載作用下，橋梁接近于彈性工作狀態(tài)。

（5）動載試驗表明：試驗跨的實測振動基頻略大于理論振動基頻，橋梁實際剛度大于仿真分析剛度，主橋?qū)崪y振型與理論振型一致，表明仿真分析結(jié)果與實測結(jié)果一致。

（6）試驗跨結(jié)構(gòu)承載能力可滿足設(shè)計荷載的正常使用要求。

參考文獻

[1]陳榕峰， 宋丹， 高鵬. 公路橋梁荷載試驗綜述[J]. 交通標準化， 2006（10）： 28-30.

[2]方華兵， 李鷗. 重慶朝天門長江大橋成橋荷載試驗研究[J]. 鐵道建筑， 2015（2）： 12-15.

[3]肖勇剛， 胡麗湘. 基于荷載試驗的預應力空心板橋承載能力分析[J]. 公路與汽運， 2014（1）： 210-214.

[4]王華， 宋波， 張建仁， 等. 基于橋梁荷載試驗的山區(qū)大跨徑拱橋橫向剛度研究[J]. 公路工程， 2021（1）： 1-4.

[5]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范： JTGD60—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.