大跨度斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

羅春旺

（東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

斜拉橋由于自身超強(qiáng)的跨越能力，被橋梁設(shè)計(jì)師廣泛采用。斜拉橋經(jīng)過近80 年的發(fā)展，無論在設(shè)計(jì)理論還是施工工藝技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，現(xiàn)在的研究方向主要是優(yōu)化斜拉橋設(shè)計(jì)理論、如何運(yùn)用新型材料以及橋梁運(yùn)營后的健康檢測，橋梁健康檢測主要手段是橋梁荷載試驗(yàn)，橋梁荷載試驗(yàn)是評定橋梁承載力的重要手段，可為后期的使用、運(yùn)營安全提供重要保障。因此，文章主要對大跨度斜拉橋的荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 荷載試驗(yàn)主要內(nèi)容及意義

橋梁荷載試驗(yàn)包括靜載和動(dòng)載試驗(yàn)。靜載指的是將靜止的荷載作用在橋梁的指定位置，檢測橋梁該處的靜應(yīng)變、靜位移以及撓度變化等指標(biāo)，通過試驗(yàn)測定的主要控制點(diǎn)的位移和應(yīng)變，將試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。通過這些指標(biāo)來綜合評定在荷載作用下橋梁的工作狀態(tài)、通行能力以及健康狀況。靜載試驗(yàn)檢測方法雖然容易被工程師所接受和掌握，但為了更好地完成檢測工作，橋梁靜載試驗(yàn)需要制訂針對性的試驗(yàn)方案。

橋梁靜載試驗(yàn)還有以下幾個(gè)方向作用：第一，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)成果的科學(xué)性和安全性。第二，對橋梁施工工藝的優(yōu)化。第三，為創(chuàng)新橋梁的設(shè)計(jì)理論和施工工藝發(fā)展積累資料。第四，為橋梁的運(yùn)行管理提供依據(jù)。

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)檢測方法是測試橋梁動(dòng)力特性方法之一，該性能可判斷橋梁運(yùn)營環(huán)境舒適性、結(jié)構(gòu)剛度等[1]。以往動(dòng)載試驗(yàn)是單純測試橋梁的頻率，這樣所帶來的問題就是橋梁結(jié)構(gòu)在外界干擾下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，容易導(dǎo)致試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。在近些年來，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法逐漸發(fā)展成型，它集合了振動(dòng)理論、振動(dòng)測試技術(shù)、系統(tǒng)識別、信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)。通過試驗(yàn)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率、模態(tài)振型、阻尼比等參數(shù)來綜合判斷橋梁的動(dòng)力性能。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某斜拉橋?yàn)椋?7.5+172.5+400+172.5+57.5）m 的雙塔中央索面預(yù)應(yīng)力混凝土半漂浮斜拉橋。索塔采用“天圓地方”形式，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土斜腹板單箱五室的箱梁結(jié)構(gòu)，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁全寬41.0m，中心梁高4.0m；承臺、墩身和小懸臂蓋梁（X1#～X6#過渡墩）為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；大懸臂蓋梁（X2#、X5#輔助墩）為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；索塔塔柱非錨固區(qū)段為普通混凝土結(jié)構(gòu)；索塔塔柱錨固區(qū)，牛腿為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橋型布置如圖1 所示，箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2 所示，此研究通過有限元軟件Midas Civil 建立了該橋?qū)嶓w結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm)

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm)

圖3 橋梁Midas Civil 有限元模型

2.2 橋梁荷載試驗(yàn)內(nèi)容與加載工況設(shè)計(jì)

2.2.1 橋梁靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)：試驗(yàn)荷載加載至預(yù)定的位置，并對結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變和靜變形進(jìn)行測定，來評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能，判斷結(jié)構(gòu)在靜力荷載下的工作狀態(tài)。此次試驗(yàn)擬對以下參數(shù)進(jìn)行測試：控制截面應(yīng)力變化；斜拉索索力增量；主梁撓度變化；塔頂變位。為了檢測實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況，表1 為靜載試驗(yàn)檢測內(nèi)容。

表1 靜載試驗(yàn)檢測內(nèi)容

此次試驗(yàn)，工況一采用32 輛重約30t 的車輛進(jìn)行加載，工況二采用48 輛重約為30t 的車輛進(jìn)行加載，工況三采用32 輛重約為30t 車輛進(jìn)行加載，各工況的截面控制內(nèi)力值和加載效率如表2 所示，加載車尺寸示意圖如圖4 所示。共設(shè)置44 個(gè)撓度測點(diǎn)和8 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，具體布置情況如圖5 所示。主塔位移測點(diǎn)布置如圖6 所示。控制面A-A、B-B、C-C 的應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖7 所示，合計(jì)共96 個(gè)測點(diǎn)。

表2 截面控制內(nèi)力值和加載效率

圖4 加載車尺寸示意圖

圖5 撓度及變形測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖6 主塔位移測點(diǎn)布置示意圖

圖7 應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（單位：mm）

2.2.2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)：試驗(yàn)荷載以不同的速度通過橋梁，在橋梁的特定的位置緊急制動(dòng)，來測定橋梁的動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)變和豎向、橫向振動(dòng)。通過測試橋梁的動(dòng)力參數(shù)（振幅、頻率、模態(tài)振型、阻尼比），來判斷結(jié)構(gòu)的在動(dòng)載作用下舒適性、剛度和工作性能。試驗(yàn)方式：脈動(dòng)試驗(yàn)；制動(dòng)試驗(yàn)；無障礙行車試驗(yàn)。全橋布設(shè)34 個(gè)拾振器（豎向），29 個(gè)拾振器（橫向），12 個(gè)拾振器（縱向），弓形障礙物設(shè)置于中跨跨中橋面上，動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)布置于中跨主梁底板底面，如圖8 所示。

圖8 動(dòng)載試驗(yàn)測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

2.3 荷載試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 靜載結(jié)果

筆者從事物理課堂教學(xué)已有23年，對于物理課堂教學(xué)，一直在思考與探索。經(jīng)過多年的實(shí)踐探索，筆者認(rèn)為可從四個(gè)方面提高學(xué)生參與體驗(yàn)探究物理的樂趣、欲望，從而提高物理課堂教學(xué)效益。

試驗(yàn)工況（工況一）：表3 為試驗(yàn)跨在工況一滿載時(shí)主要測點(diǎn)撓度值和相應(yīng)理論計(jì)算值。圖9 為滿載時(shí)試驗(yàn)跨的主要測點(diǎn)實(shí)測彈性撓度值和理論計(jì)算值的變化曲線。圖10 為各級荷載作用下，主要測點(diǎn)實(shí)測撓度值與理論計(jì)算值（加載效率—撓度）關(guān)系曲線圖。圖11 為滿載時(shí)試驗(yàn)跨控制截面測點(diǎn)實(shí)測彈性應(yīng)變沿梁高的分布，表4 為滿載時(shí)中跨跨中控制截面箱梁底板外側(cè)測點(diǎn)的平均應(yīng)變和理論計(jì)算值。

表4 控制截面梁底應(yīng)變值（單位：με）

圖9 工況一滿載下彈性撓度曲線理論值與實(shí)測值

圖10 工況一中跨跨中η-f 關(guān)系曲線

圖11 A-A 斷面應(yīng)變測點(diǎn)分布圖（單位：με）

試驗(yàn)工況（工況二）：表5 為試驗(yàn)跨在工況二滿載時(shí)塔頂最大縱向位移和理論計(jì)算值；圖12 為滿載時(shí)試驗(yàn)跨的主要測點(diǎn)實(shí)測彈性撓度值和理論計(jì)算值的變化曲線；圖13 為工況二各級荷載作用下，塔頂測點(diǎn)實(shí)測值與理論值的（加載效率—位移）關(guān)系曲線；圖14為滿載時(shí)試驗(yàn)跨控制截面測點(diǎn)實(shí)測彈性應(yīng)變沿截面的分布；表6 為滿載時(shí)控制截面小里程側(cè)受拉面測點(diǎn)的平均拉應(yīng)變和理論計(jì)算值。

表5 塔頂縱向位移值（單位：mm）

表6 控制截面受拉面應(yīng)變值（單位：με）

圖12 工況二滿載下彈性撓度曲線理論值與實(shí)測值

圖13 工況二X3#塔塔頂最大位移測點(diǎn)η-f 關(guān)系曲線

圖14 主塔控制截面應(yīng)變測點(diǎn)分布圖（單位：με）

試驗(yàn)工況（工況三）：表7 為試驗(yàn)跨工況三滿載時(shí)輔助墩0.4L 位置處最大撓度值和理論計(jì)算值；圖15為滿載時(shí)試驗(yàn)跨的主要測點(diǎn)實(shí)測彈性撓度值和理論計(jì)算值的變化曲線；圖16 為工況三各級荷載作用下，控制截面的撓度測點(diǎn)實(shí)測值與理論值的（加載效率—撓度）關(guān)系曲線；圖17 為滿載時(shí)試驗(yàn)跨控制截面測點(diǎn)實(shí)測彈性應(yīng)變沿截面的分布；表8 為滿載時(shí)輔助墩控制截面箱梁頂面測點(diǎn)的平均拉應(yīng)變和理論計(jì)算值。

表7 控制截面撓度值（單位：mm）

表8 控制截面梁頂應(yīng)變值（單位：με）

圖15 工況三滿載下彈性撓度曲線理論值與實(shí)測值

圖16 工況三輔助墩最大撓度測點(diǎn)η-f 關(guān)系曲線

圖17 B-B 截面（X2#～X3#輔助墩控制截面）應(yīng)變測點(diǎn)分布圖（單位：με）

各個(gè)工況試驗(yàn)結(jié)果分析：由表3、表5、表7 可知，控制截面彈性撓度在滿載時(shí)校驗(yàn)系數(shù)小于1，實(shí)測值和理論計(jì)算值吻合較好；由圖9、圖12、圖15 可知，實(shí)測撓度曲線和理論計(jì)算撓度曲線相吻合、變化規(guī)律基本一致。由圖10、圖13、圖16 可知，試驗(yàn)跨撓度實(shí)測值小于理論計(jì)算值，且變化趨勢一致。由圖11、圖14、圖17 可以看出，應(yīng)變沿梁高基本呈線性變化。由表4、表6、表8 可知，各控制截面彈性應(yīng)變值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明實(shí)測值和理論計(jì)算值吻合很好。

2.3.2 動(dòng)載結(jié)果

在地脈動(dòng)、跳車和行車激振工況下，主梁實(shí)測橫彎、豎彎，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的自振頻率和理論計(jì)算頻率如表9所示。主橋?qū)崪y和理論一階模態(tài)如圖18 所示。

表9 實(shí)測頻率及阻尼比測試結(jié)果表

圖18 主橋一階實(shí)測豎彎振型和理論振型

對比自振頻率實(shí)測值與理論值可知，實(shí)測自振頻率均大于理論值，證明實(shí)際剛度大于理論剛度。

3 結(jié)論

第一，斜拉橋的荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)研究工作[3-5]。它包括前期的準(zhǔn)備、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)檢測、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、報(bào)告的編寫等工作。特別是大跨度斜拉橋荷載試驗(yàn)：試驗(yàn)工況較多，檢測煩瑣，需要豐富的專業(yè)知識以及現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)和能力，更需要團(tuán)隊(duì)的配合才能順利完成。為橋梁結(jié)構(gòu)特性、實(shí)際承載能力的評估呈現(xiàn)更直觀、科學(xué)的依據(jù)。

第二，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求；斜拉索結(jié)構(gòu)具有較好的剛度和強(qiáng)度；主橋承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求。

第三，大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營荷載作用下具有一定的安全儲備和安全性能，為橋梁使用階段的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。