独塔宽幅斜拉桥荷载试验与分析

谷国强　张学亮　陈贺功　吴季华

（上海同纳建设工程质量检测有限公司，上海　200331）



独塔宽幅斜拉桥荷载试验与分析

谷国强张学亮陈贺功吴季华

（上海同纳建设工程质量检测有限公司，上海200331）

摘要：介绍了黄山市某独塔宽幅单索面斜拉桥动、静载试验的主要内容和方法，说明了宽幅斜拉桥测点布置情况，分析了该桥结构的实测应力、挠度、动力特性与理论计算值，试验结果表明，桥梁校验系数均小于1，桥梁的刚度和承载能力满足设计要求。

关键词：静载试验，振动特性，动载试验，校验系数

1　工程概况

黄山市某独塔斜拉桥为一座独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主桥全长240 m，跨径组合为130 m + 110 m，全宽34 m，结构采用塔、墩、梁固结体系。

主梁为预应力混凝土单箱五室截面，主梁标准阶段6 m及4 m，每根斜拉索处设置一道横隔梁。主塔采用独柱式空心矩形断面，桥塔顺桥向宽度为7. 0 m，横桥向厚度为4. 0 m，主墩墩身采用类似椭圆形单箱双室截面。斜拉索采用双索面扇形布置，拉索在梁上标准间距为6. 0 m及4. 0 m，塔上标准间距为2. 0 m，斜拉索单侧19对，全桥共76根。主桥双向四车道，计算行车速度40 km/h，设计荷载公路—Ⅰ级。

桥梁通车前进行静、动载试验，通过测试桥跨结构的实际受力状态及振动特性，评价其在设计荷载下的工作性能，检验桥梁承载力是否满足设计要求，为大桥通车前的交工验收提供技术依据。同时该桥斜拉桥是宽幅桥，又是单索面，对偏载作用下的桥梁挠度进行分析，是否影响桥梁运营安全。桥型布置见图1，主梁1/2跨中断面结构尺寸见图2。

图1　桥型布置图（单位：cm）

图2　主梁1/2跨中断面结构尺寸（单位：cm）

2　荷载试验实施方法

利用桥梁计算专用软件Midas Civil建立有限元模型，主要控制截面是根据斜拉桥在活载作用下桥梁的内力包络图确定的。控制截面如图1所示。

2.2测点布置

静载试验主要工作内容为测试主要控制截面的应力（应变）、挠度、斜拉索索力增量和塔顶水平位移。

1）应力测试。桥梁应力测点布置在应力控制截面的底板、腹板、顶板上，测量纵向应力；索塔底部沿塔高度的竖向应力。测点布置如图3，图4所示。应力测试采用混凝土表面粘贴电阻式应变片，采用DH3815N静态应变采集仪器进行数据采集。

图3　箱梁应力测点布置图

图4　索塔应力测点布置图

2）挠度测试。由于该桥属于宽幅桥，在偏载作用下左右两侧翼缘板与梁底挠度会出现较大的差别，挠度测点布置在梁底和翼缘板底。主梁每个截面5个测点，共计35个测点，测点处粘贴小棱镜，利用2台Leica TS50全站仪在主桥上下游150 m处分别进行测试。全站仪的测距精度为0. 6 mm + 1 ppm、测角标准差为±0. 5″。测点布置如图3所示。

3）索塔水平位移。索塔顶布置2个测点，测试索塔顶水平位移，测点处粘贴小棱镜，利用2台Leica TS50全站仪进行测试。

4）斜拉索增量测试。根据结构计算，主跨上、下游侧9号～11号索在设计荷载作用下索力增量较大，选择这6根索测试试验工况下的索力增量。测点位置见图1中6断面。测试索上安装941B低频加速传感器，采用INV3020C采集分析仪进行数据采集。

(2)棉花是新疆的主要经济作物之一，而且新疆也是棉花优良的天然种植地，根据“规划”调棉能够实现文中所设定的力度。文章仅从节水的视角，设定调棉规模，且在结构调整的实施过程中，大部分种植户最在乎的是该农作物的经济效益，而考虑环境影响次之，因此需要一定的推广讲座和补贴措施，引导农户逐步转变种植观念。

2.3加载方案

试验加载方案主要根据设计荷载在结构控制截面上产生的最不利荷载效应计算得到，根据控制截面的活载影响线计算确定各个试验工况所需要的加载车辆和加载位置。为了充分反映结构的受力特点，一般要求选择较高的试验效率，根据规定，试验效率控制在0. 95～1. 05［1］。该桥试验控制荷载为公路—Ⅰ级，经计算，确定需12辆每辆总重为300 kN的三轴车加载，前轴重60 kN，中后轴各重120 kN。试验加载工况及加载效率见表1。

表1　静载试验加载工况及荷载效率

3　静载试验结果分析与评定

通过对各试验工况下主要控制截面的实测应力、挠度、塔顶变位和索力增量与理论值进行对比，评定桥梁承载能力是否满足设计要求。应力（应变）、挠度、塔顶水平位移、索力增量试验结果见表2～表6。

表2　主梁和主塔实测应力值与计算值对比表

表3　主梁实测挠度值与计算值对比表

表4　截面5各测点挠度测试结果　mm

控制截面　试验工况　实测/MPa　理论值/MPa 校验系数主塔5截面　工况5　-13. 7　-14. 1　0. 97

表5　塔顶实测水平位移与计算值对比表

3.1应力分析

表2是主梁主要控制截面实测应力与计算应力对比表。主梁应力的校验系数在0. 54～0. 94之间，主塔应力校验系数在0. 53～0. 68之间，校验系数全部小于1，说明主梁和主塔实际强度大于理论计算值，满足设计要求。

3.2主梁挠度分析

表3是主梁控制截面实测挠度与理论计算挠度对比表。主梁挠度的校验系数在0. 82～0. 97之间，校验系数全部小于1，说明结构实际刚度大于计算刚度，说明在试验荷载下结构处于弹性工作状态。

表4给出了截面5各挠度测点在对称加载和偏载时的挠度测试结果，从测试结果可以看出，由于该桥为宽幅桥，且为单索面，车辆偏载时翼缘板的挠度与底板的挠度出现较大差别，为了测试精确度，对宽幅桥应在底板和翼缘板底分别设置测点。通过表4的数据可以分析得出主梁的偏载系数为1. 08，偏载系数较小，表明该桥横向刚度较大，偏载效应不明显，偏载时能保证桥梁安全。

3.3主塔塔顶变位分析

表5是索塔顶实测变位与理论计算变位对比表。主塔塔顶水平位移的校验系数为0. 97，校验系数小于规范限值1，主塔塔顶实测水平位移与理论计算值吻合较好，说明主塔整体刚度较好，满足设计要求。

3.4索力增量分析

表6是斜拉索实测索力增量与理论计算值对比表。实测索力增量的校验系数在0. 94～0. 97之间，校验系数小于1，斜拉索的索力增量略小于理论计算值，表明斜拉索受力状态符合设计要求。

3.5相对残余变位（应变）分析

相对残余变位（应变）是反映结构弹性工作状态的参数，数值越小，说明结构越接近弹性工作状态。本桥的主要挠度测点相对残余变位在0%～5. 25%，主要应变测点相对残余应变在0%～7. 61%，均不超过相对残余变位（应变）20%的限值。

4　自振特性测试

桥梁自振特性的测试采用环境随机振动法。在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，将各测量点的加速度信号记录下来。测得结构的振型、自振频率和阻尼比等动力学特征。

选择在沿主梁纵桥的每跨四分点处截面为竖向振动测试截面，主跨和边跨共计9个振动测试截面，在每个截面上游、下游的车行道边缘处各布置1个测点，采集桥梁主梁竖向加速度数据，对采集的数据进行模态分析。从表7的结果可以看出，主梁实测频率大于理论计算频率，说明结构实际刚度大于理论设计值，实测振型与理论振型一致，符合设计要求。

表7　桥梁自振特性实测值与理论计算值对比表

实测一、二阶振型如图5，图6所示。

图5　实测一阶振型图

图6　实测二阶振型图

5　结语

1）在静载试验时，实测主梁应变和挠度、索塔应力、塔顶水平位移以及索力增量均小于理论计算值，主要控制截面相对残余变位（应变）在0%～7. 61%之间。说明主梁、索塔强度和刚度性能较好，结构在试验荷载下处于弹性状态，符合设计要求。

2）通过该桥自振频率和振型与理论计算值比较，结构实际刚度大于理论设计值，实测振型与理论振型一致，符合设计要求。

3）静、动载试验结果表明该斜拉桥在相当于设计规定的车辆荷载等级的试验荷载作用下，满足设计荷载等级（公路—Ⅰ级）的使用要求。

4）根据宽幅独特斜拉桥的受力特点，提出了对本桥有针对性的控制截面测点布置方案，试验结果表明车辆偏载时翼缘板的挠度与底板的挠度出现较大差别，因此，对宽幅桥应在底板和翼缘板底分别设置挠度测点，该方案可为其他宽幅斜拉桥荷载试验提供参考。

参考文献：

［1］JTG/T J21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.

On loading tests and analysis of single-tower and wide cable-stayed bridges

Gu Guoqiang Zhang Xueliang Chen Hegong Wu Jihua
（Shanghai Tongna Construction Engineering Quality Testing Co.，Ltd，Shanghai 200331，China）

Abstract：The paper introduces the main contents and methods for the single cable-stayed bridge and static loading of some single-tower and wide cable-stayed bridges in Huangshan City，indicates the testing points allocation of the bridge，analyzes the tested stress，deflection，and dynamic features，and theoretic calculation，and proves by the result that the bridge checking coefficient is no more than 1 and its stiffness and loading capacity can meet the design demands.

Key words：static loading test，vibration feature，dynamic loading test，checking coefficient

中图分类号：U448. 27

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0179-03

收稿日期：2016-01-11

作者简介：谷国强（1983-），男，硕士，工程师；张学亮（1981-），男，硕士，工程师；陈贺功（1981-），男，硕士，工程师；吴季华（1987-），男，工程师