某獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋成橋荷載試驗(yàn)研究

王 樂(lè)，蔣 鵬，耿 棟

（安徽省公路工程檢測(cè)中心橋梁與隧道工程檢測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051）

1 項(xiàng)目概述

某獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋跨徑布置為（30+68+140）m，上跨引江濟(jì)淮航道。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?3 m，橋面為雙向六車道，兩側(cè)布置人行道、非機(jī)動(dòng)車道，主橋主梁采用混合式疊合梁，主跨共計(jì)128 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)主梁為鋼混疊合梁，其余98 m邊跨及主跨12 m長(zhǎng)部分共計(jì)110 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土梁。疊合梁由兩側(cè)鋼邊箱、鋼橫梁、鋼托架、鋼小縱梁及混凝土橋面板組成。預(yù)應(yīng)力混凝土梁段為邊主梁縱橫梁體系，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.5 m。主塔采用H形造型，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔梁固結(jié)，塔高80 m，上下塔柱為單箱單室截面；主跨拉索間距10.5 m，邊跨拉索間距7 m，全橋共24對(duì)48根。邊跨混凝土主梁采用現(xiàn)澆C50混凝土，為預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)97.9 m，伸入中跨12 m。在斜拉索錨固處及斜拉索中間均設(shè)有一道橫梁，間距為3.5 m。邊跨主梁標(biāo)準(zhǔn)截面距梁端54.4 m范圍內(nèi)中間頂板厚60 cm，矩形邊主梁寬3.0 m；距梁端54.4～94.4 m范圍內(nèi)中間頂板厚45 cm，矩形邊主梁寬3.0 m；在輔助墩及塔梁交接處邊主梁加寬至4.0 m。砼梁高為2.7 m。設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)。主橋縱向布置示意圖如圖1所示。

圖1 主橋縱向布置示意圖（單位：m）

2 靜載試驗(yàn)

基于成橋竣工圖紙，利用MIDAS/Civil建立橋梁有限元模型，根據(jù)分析結(jié)果確定加載車輛及布置位置、各試驗(yàn)工況的控制值及模態(tài)參數(shù)。

2.1 主要試驗(yàn)工況

通過(guò)有限元計(jì)算分析，確定在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力（或位移）最大值所在截面，并將其作為控制截面，由此確定8個(gè)主要內(nèi)力（或位移）控制截面。受篇幅限值，本文以主跨、次邊跨為研究對(duì)象，分別代表鋼縱梁、混凝土縱梁部分，分析在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)承載能力。具體加載工況試驗(yàn)效率見(jiàn)表1。主橋試驗(yàn)工況布置圖如圖2所示。

表1 主橋靜載試驗(yàn)效率系數(shù)（以南側(cè)縱梁控制）

圖2 主橋試驗(yàn)工況布置圖（單位：cm）

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

依據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，在主跨L/4、L/2處及邊跨L/2處布置撓度測(cè)點(diǎn)，且沿南北兩側(cè)均布置測(cè)點(diǎn)；考慮到偏載沿南側(cè)加載，故在5#墩處南側(cè)索塔頂部設(shè)反光棱鏡進(jìn)行索塔縱向位移測(cè)量；主跨鋼縱梁、次邊跨混凝土縱梁（以南側(cè)為主）布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，具體如圖3、圖4所示。

圖3 工況1主梁控制斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

圖4 工況2箱梁控制斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

2.2.2 撓度（位移）測(cè)點(diǎn)

塔頂位移采用全站儀進(jìn)行檢測(cè)，以南側(cè)主塔頂部設(shè)置棱鏡；橋面撓度測(cè)量則采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的撓度測(cè)量，具體在各控制截面處的南側(cè)、北側(cè)均設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn)。

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果各工況下的應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各工況試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù) 單位：με

以較為典型的第6跨最大正彎矩截面A為例，繪制在工況1試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變-梁高關(guān)系曲線圖，如圖5所示。

圖5 工況1作用下第6跨最大正彎矩A截面應(yīng)變沿高度分布圖

根據(jù)以上曲線圖分析，在城-A級(jí)等效試驗(yàn)荷載作用下鋼縱梁A截面應(yīng)變沿腹板呈線性分布，基本符合平截面假定。

由以上應(yīng)變數(shù)據(jù)可以看出：在等效試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變的變化規(guī)律基本一致，且實(shí)測(cè)值均小于理論值；應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.61～0.92之間，與同類型橋梁的實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同，符合規(guī)范要求。

2.3.2 撓度（位移）檢測(cè)結(jié)果

各工況下的撓度（位移）檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各工況試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙龋ㄎ灰疲z測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mm

根據(jù)以上實(shí)測(cè)結(jié)果，可以看出主跨及次邊跨橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.85～0.92范圍內(nèi)，各工況荷載作用下實(shí)測(cè)最大撓度為102.38 mm，小于規(guī)范限值L/400（350.00 mm）；且經(jīng)過(guò)各工況下的循環(huán)加卸載作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度能得到恢復(fù)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，滿載幅值及彈性恢復(fù)情況滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3.3 索力檢測(cè)結(jié)果

采用頻譜法檢測(cè)斜拉索索力，測(cè)試C斷面拉索（編號(hào)M6）在工況1作用下滿載實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算值，結(jié)果表明拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.65，略小于應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)，可能受拉索防護(hù)套對(duì)檢測(cè)的影響有關(guān)。M6拉索索力增量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 M6拉索索力增量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 自振頻率

橋梁結(jié)構(gòu)在接近白噪聲的自然環(huán)境（如地脈動(dòng)、風(fēng)、水流等）震源影響下，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，利用測(cè)得橋上的這種微小隨機(jī)響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)頻譜分析得出該橋的自振頻率（固有頻率）、阻尼比和振型等。自振頻率反應(yīng)力結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和約束條件情況，通過(guò)定期檢測(cè)自振頻率的變化可以反映結(jié)構(gòu)是否存在剛度減小（損傷、開(kāi)裂）、支座退化等病害。

本次橋梁模態(tài)試驗(yàn)將測(cè)點(diǎn)布置在邊跨四分點(diǎn)位置、次邊跨六分點(diǎn)位置、主跨十分點(diǎn)位置（支點(diǎn)除外，下同），具體布置在機(jī)動(dòng)車道南北兩側(cè)，共有34個(gè)速度傳感器測(cè)點(diǎn)，依次從小樁號(hào)側(cè)向大樁號(hào)側(cè)編號(hào)為1#（1'#）～17#（17'#）測(cè)點(diǎn)，共34個(gè)測(cè)點(diǎn)，考慮到傳感器數(shù)量的限制，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)進(jìn)行分組測(cè)試。

對(duì)模態(tài)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定相應(yīng)的自振頻率、阻尼比和振型等，表5列舉了前三階模態(tài)分析結(jié)果。

根據(jù)表5，前三階實(shí)測(cè)主頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)各階自振頻率值均大于理論計(jì)算值，主橋?qū)崪y(cè)頻率與理論頻率之比f(wàn)mi/fdi在1.01～1.09之間，略大于理論剛度，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較好。

表5 主橋?qū)崪y(cè)自振頻率與理論計(jì)算自振頻率比較表

3.2 沖擊系數(shù)

行車試驗(yàn)荷載采用1輛試驗(yàn)車分別以車速為20、30、40、50、60 km/h不同車速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)試主要控制截面處動(dòng)撓度情況，整理出不同速度下的時(shí)程響應(yīng)曲線，最后計(jì)算相應(yīng)的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)。受篇幅限值，列舉60 km/h行車時(shí)跨中動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖，如圖6所示。

圖6 60 km/h行車時(shí)跨中動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（單位：mm）

根據(jù)不同速度下的動(dòng)撓度時(shí)程響應(yīng)曲線，計(jì)算相應(yīng)的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)，具體見(jiàn)表6。

表6 主橋動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)表

該試驗(yàn)聯(lián)沖擊系數(shù)規(guī)范計(jì)算值為0.05（基頻小于1.5 Hz），從表中可以看出實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)略大于規(guī)范計(jì)算值，可能與車橋耦合振動(dòng)、橋面鋪裝不平整等原因有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.61～0.92之間，符合規(guī)范要求，且以主跨鋼縱梁為例說(shuō)明了截面應(yīng)變分布符合平截面假設(shè)。

（2）撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.85～0.92范圍內(nèi)，各工況荷載作用下實(shí)測(cè)最大撓度為102.38 mm，小于規(guī)范限值L/400（350.00 mm），滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（3）主橋?qū)崪y(cè)頻率與理論頻率之比f(wàn)mi/fdi在1.01～1.09之間，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較好。

（4）試驗(yàn)車輛在20～60 km/h內(nèi)的最大沖擊系數(shù)為0.063，略大于規(guī)范值0.050，可能與車橋耦合振動(dòng)及橋面鋪裝不平整等原因有關(guān)。

（5）綜上所述，該橋承載力滿足設(shè)計(jì)荷載要求，結(jié)構(gòu)受力合理。