斜拉桥力学功能试验评定

本文作者：万卫红 伍建强 林 汀 韩志星 单位：江西省交通科学研究院

1工程概况

上饶丰溪大桥主桥为55m+35m+85m双索面斜塔斜拉—梁拱组合结构。主塔斜角67°，塔柱为矩形实心断面。主桥主梁为2.5m等高的直腹板预应力混凝土箱形梁(单箱四室结构)，斜拉桥塔、梁、拱固结。塔柱设置7对斜拉索，双索面扇形布置。主拱采用圆弧拱，矢跨比1/4.5，拱肋采用单根1150mm钢管混凝土，主拱钢管厚度20mm。大桥设计行车速度40km/h，设计荷载公路Ⅰ级，人群荷载3.5kN/m2。主桥桥面布置:3.0m(人行道)+22.0m(机动车道)+3.0m(人行道)，总宽28.0m［1］。大桥立面布置参见图1。

2试验设计

2.1结构理论计算［2］结构理论分析采用有限元空间实体模型，建模时考虑要满足小变形假定，且未考虑收缩徐变以及混凝土材料非线性对结构的影响，混凝土箱梁采用Shell63单元，主拱和斜塔采用Beam44单元，拉索及吊杆采用Link8单元模型。计算中考虑施工过程和实际桥梁的成桥内力状态，梁、塔、拱单元截面采用实际截面，索单元采用Enrst公式考虑其垂度效应，拉索在塔、梁锚固的偏心用刚臂单元考虑。在梁、塔、拱固结部位，为了保证塔、梁、拱变形协调，防止固结部位较宽影响分析结果的准确性，采用刚臂单元处理，空间实体计算模型如图2所示。图2空间实体计算模型

2.2测试内容与方法［3］静力荷载试验测试内容主要有试验荷载下控制截面的应力、变形规律、主塔位移及拉索的索力变化。应变测量采用电阻应变片，由电阻应变测量系统测量;索力增量采用频率测定法测试，由成品索的材料特性确定的弹性模量和索单位长密度推测斜拉索索力增量。位移测量采用高精度全站仪进行极坐标多测回观测。同时，在试验过程中用红外温度计对拉索、梁体、主塔进行温度测量。动力荷载试验研究内容主要有桥梁的自振频率、振型、阻尼特性、冲击系数。动力测试采用速度、加速度拾振器和信号采集处理系统采集数据，并实施FFT信号处理分析，进而得出需要的动力参数。

2.3测试断面与测点布置根据理论分析结果，静载试验选择主桥55m跨主梁最大正弯矩0.40L控制截面(1-1断面)、7#墩顶主梁最大负弯矩控制截面(2-2断面)、85m跨主梁最大正弯矩0.63L控制截面(3-3断面)、斜塔根部控制截面(4-4断面)、主拱肋拱顶控制截面(5-5断面)、主拱肋拱脚控制截面(6-6断面)。主桥试验控制断面布置示意如图1所示。1-1截面梁底布置3个百分表挠度测点，3-3截面桥面布置3个挠度测点，塔顶布置1个纵桥向位移测点，主桥各跨支座处布置支座变形测点;除控制断面布置挠度测点外，在85m跨偏载侧桥面每个吊杆锚点处布置一个挠度测点，用于测试桥面挠度曲线。在理论分析基础上，动载试验选择主跨主梁L/2，5L/8，2L/3，3L/4截面处布置竖向、水平向拾振器(2L/3截面处梁底同时布置动应变、动挠度测点)。动载试验振动测点布置如图3所示。

2.4试验加载为方便加载、卸载，试验加载采用12辆载重汽车，单车质量30t，按照荷载等效原则，通过影响线确定试验加载车位置和数量。通过计算分析，进行如下加载试验:①设计活载下55m跨最大正弯矩;②7号墩墩顶最大负弯矩;③85m跨最大正弯矩;④拉索最大索力增量;⑤主拱拱顶最大正弯矩;⑥主拱拱脚最大负弯矩;⑦主塔根部最大弯矩;⑧塔顶最大纵桥向位移。静力试验采用偏载与对称两种加载方式，以研究结构的偏载工作性能和对称工作性能。在影响线分析的基础上，为缩短现场试验工作时间，试验③④⑤⑥可合并进行，试验⑦⑧可合并进行。各试验工况均采用3排4列(共12辆)重车进行加载，通过适当调整车辆纵距，使试验荷载达到荷载效率。静力试验加载分级进行，分级数不少于3级(通过控制加载车数量进行加载分级)。动载试验采用2～6辆重车进行激振试验(不同车速跑车、越障跳车和急刹车，模拟车队通过大桥的情况)和振动模态试验(自然大地脉动)两种方式，以研究结构的动力性能。

3试验结果分析

3.1静载试验结果分析［4］试验结果表明，各工况下主梁应力校验系数在0.73～0.93范围内，主梁挠度校验系数在0.66～0.87范围内，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求(校验系数≤1.05)。卸载弹性恢复非常好，说明主梁仍处于弹性状态工作。偏载试验下，根据实测挠度计算试验桥55m跨偏载系数为1.16，85m跨偏载系数为1.23，偏载效应较明显，表明实际结构主跨的箱形截面抗扭能力稍欠。部分偏载加载最大试验荷载下试验结果与理论结果对比见表1。实测拉索应力增量(表2)校验系数在0.67～0.79之间，与理论预期较为吻合，表明拉索工作与设计预期一致，拉索工作正常。实测桥梁竖向挠度(图4)线形平顺、光滑，吻合度较高，说明理论计算模型与实桥状态非常接近。偏载及对称荷载作用下，主塔顺桥向位移理论计算值较小，不超过5mm(向9#墩侧偏)，实测主梁及主塔顺桥向位移微小，说明主桥及主塔顺桥向刚度较大。主塔根部截面应力(垂直向)理论值较小(绝对值＜0.13MPa)，实测主塔根部截面应力(垂直向)微小(＜0.1MPa)，说明主塔实际工作性能好于理论预期。从实测主梁、主塔变形及拉索索力变化看，实测值与理论值吻合度较高，说明本桥选用的斜塔斜拉—梁拱组合结构的主梁、主塔、拉索、主拱具有较好的变形协调性。

3.2动载试验结果分析［5-6］动载试验激振工况及实测动挠度见表3，实测冲击系数结果见表4。试验结果表明:在10～50km/h范围内，随着重车车速的增加，实测动挠度有微弱增大趋势，且随着车速提高，实测冲击系数略有增大。跑车试验的实测冲击系数最大为1.136，刹车试验的实测冲击系数为1.165，30km/h以上跑车工况及刹车工况的实测冲击系数大于设计规范建议值1.05。在建立有限元动力分析模型时，拉索及吊杆考虑了防腐护套质量，主梁截面取实际截面参数，通过调整主梁材料密度来考虑桥梁二期恒载对动力性能的影响。成桥内力状态以施工监控报告为准进行调整。各阶实测阻尼比、实测振动频率与理论值比较见表5和图5。实测主梁竖弯振动频率均大于理论分析结果，说明实际桥梁的整体竖弯刚度好于理论预期，而主塔及主拱实测侧弯振动频率略小于理论值，这可能是由于实际结构边界约束条件复杂，理论计算模型与桥梁实际情况差异所导致;实测结构阻尼比较小，说明桥跨结构在环境荷载激励下是小阻尼振动，这和斜拉桥的结构形式一致。主桥一阶阵型为主塔侧弯，说明结构主塔截面抗侧弯能力稍弱。实测及理论分析桥梁的前五阶均没有主梁扭转振型出现，表明该桥设计的斜塔斜拉—梁拱组合结构整体抗扭能力强于抗弯能力。

4试验结论

1)静载试验结果分析表明:在试验荷载下，主梁、主塔、主拱的变形性能良好，结构处于弹性受力状态，符合设计要求。桥跨结构主跨偏载效应较明显，表明实际结构主跨的箱形截面抗扭能力稍欠。主梁、主塔、主拱受力合理，协调工作，主梁具有较好的强度和抗弯刚度，试验桥受力性能满足设计荷载标准要求。2)动载试验结果分析表明:实测主梁竖弯振动频率均大于理论分析结果，说明实际桥梁的整体竖弯刚度好于理论预期，实测结构各阶振动阻尼比正常，属小阻尼振动。实测及理论分析桥梁的前五阶均没有扭转阵型，表明结构的整体抗扭能力好于抗弯能力。3)30km/h以上跑车及刹车的实测冲击系数大于设计规范建议值。刹车对桥梁冲击明显，建议桥梁使用中对超载、超速车辆做好交通管制，尽量保证桥面平顺和行车通畅。