双塔单索面塔梁固结连续体系矮塔斜拉桥动静载试验研究

徐宇贤

摘 要：根据江门市某条快速路上双塔单索面塔梁固结连续体系矮塔斜拉桥交工时的动静载试验验收，重点介绍该桥梁的结构计算、模态振型分析、试验工况介绍、试验结论分析等内容。通过现场桥梁变位、塔顶偏位、主梁与主塔应力状态、分级加载作用下拉索索力增量及卸载后弹性恢复情况等实测值与理论值分析比较，结合地脉动测试方法对该桥的模态、振型、阻尼比的特征值分析，结果表明，该桥具有良好的刚度、强度和动力特性，承载能力基本满足设计荷载要求。

关键词：刚构体系斜拉桥 动静载试验 挠度测试 应变测试 动力特性 动载试验

1.工程实例

1.1工程概况

江门市某快速路斜拉桥主桥为95+168+95 m双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，结构体系为塔梁固接的三跨连续体系。主梁采用预应力混凝土结构，按全预应力构件设计；截面采用变高度、斜腹板单箱三室箱梁；主塔采用单柱PC矩形截面，通过表面结构凸显立体感。塔高29.00 m，塔身截面纵桥向长度为4.00 m，横桥向宽度为2.50 m；索布置为双排单索面，位于桥梁中间分隔带。主塔塔根沿纵向设无索区，长度分别为38m、26m、28m，梁间距4.00 m，塔间距0.80 m。拉索在塔顶采取鞍座抗滑锚固体系，主梁处为群锚锚固；斜拉索采用环氧喷涂钢绞线，规格分为37φs15.2 mm和 55φs15.2 mm两种；主墩墩身采用矩形实心墩，主墩横桥向宽16.00 m，厚度4.00 m，该桥设计荷载为公路-I级。

1.2试验目的

（1）检验桥梁结构的实际工作状况，综合分析判断桥梁结构在设计活载作用下的承载能力和使用条件，判断结构受力是否正常及是否满足设计要求。

（2）检验设计和施工质量。

（3）通过对新建桥梁的荷载试验，为发展桥梁设计理论和提高施工质量。

（4）为桥梁交工验收提供依据，为桥梁养护、健康监测提供初始数据。

1.3理論计算及测试截面、工况布置

采用桥梁结构有限元分析软件进行建模，主梁采用空间梁单元进行模拟，模型共864个节点、727个单元，计算模型见图1。

根据理论计算结果共确定7个测试截面，见图2。

结合上述测试截面，经过优化合并，该桥静载试验共设5个工况，具体见表1。

该桥静载试验是使试验荷载在指定位置对桥梁进行加载，测试桥面纵向、横向挠度，桥梁控制截面的应变增量，塔顶变位，索力增量，根据理论计算结果与荷载试验结果比较，以确定桥梁弹性工作性能是否满足设计要求；桥梁是承受动荷载的结构物，日常运营过程中我们不仅要研究结构本身的动力性质，还要研究车辆移动荷载引起的车致振动，桥梁结构动力特性是桥梁固有特性，是由结构形式、材料特性决定，与外荷载无关，本文介绍脉动试验对该桥动力特征参数测试分析。

1.4挠度、应变测点

应变：在主梁控制截面1#、2#、 3#、4#、7#底板及腹板高度方向翼板每截面布置16个应变测点，主塔5#截面布置12个应变测点；挠度：①横向：全桥共布设30个横向挠度测点，分别布置1#、2#、3#、4#、7#截面，每截面设置6个挠度测点，②纵向主梁左右侧各布置19个（共38个）挠度测点，纵桥向分别位于边跨4等分点、中跨8等分点；塔顶偏位：在13#墩主塔顶安装1个棱镜，测试塔顶偏位；索力增量：每个工况选取2根索进行索力增量测试。见图2。采用DT80G静态应变采集系统采集应变数据。

模态测试：根据环境随机振动法，选取低频特性好、灵敏度高的压电式加速度传感器，选择合适参考点和测试点，避开桥梁墩顶，塔梁固结等节点位置，设置采样频率，采集时长，对信号进行滤波、放大，记录，监控，通过DHMA软件进行数据后处理，得出每阶的振型数据。全桥共布设24个竖向测点，9个横向测点，6个纵向测点分别布设于护栏两侧及塔顶截面，以主梁7#、15～17#测点作为参考点，分2批次进行数据采集。

1.5静载试验结果

本次以工况4各控制截面应变、挠度、塔顶偏位、裂缝监测结果为例介绍。

（1）静载主梁挠度结果。工况4满载作用下，4#截面最大挠度测点4-1实测弹性挠度48.68 mm，远小于桥规限值（168000/600=280.00 mm）；满载时挠度校验系数范围0.84～0.91，满足满足规程 的规定常值范围0.70 ～1.00，结果表明主梁刚度状况良好，卸载后4 #截面各挠度测点相对残余挠度介于9.8%～13.1%之间，均小于规程 规定的20%以内，说明桥梁弹性工作状态良好。

图4、图5表明桥梁横向、纵向挠曲线与理论曲线变化规律基本一致，主要测点实测值小于计算值，说明结构实际刚度大于理论刚度。

（2）应变结果。工况4满载作用下，4#、5#截面主要测点应变校验系数介于0.73～0.86之间，实测值均小于理论计算值，满足规程（0.60～0.90）的常值范围要求，表明4#、5#截面的强度满足设计要求。

（3）索塔偏位。工况4各级荷载作用下，13号索塔塔顶最大纵桥向位移实测值为10.80mm，卸载后残余位移0.70mm，计算值13.74mm，校验系数为0.74，相对残余系为6.5%，均满足规程要求，表明13号索塔刚度符合设计要求。

（4）斜拉索索力测试结果。工况4满载作用下2根控制索实测索力增量校验系数0.86～0.91之间，实测值与理论计算值比较吻合，卸载后相对残余介于6.5%～9.9%之间，也基本可恢复，说明结构工作性能良好。

（5）裂缝监测结果。试验前和卸载后，对4#、5#截面附近进行检查，未发现混凝土表面存在裂缝和新增裂缝。

1.6动载试验结果

对于按批次采集的随机振动信号采用峰值法做模态参数识别，通过提取平均正则化的功率谱密度曲线上的峰值来确定特征频率，拾取峰值即可简单确定竖向自振频率，统计各阶特征值。

通过模态测试结果分析知自振频率实测值大于理论值，表明桥梁结构各自由度方向实际刚度均大于理论刚度；主梁1阶横弯频率（1.159）6阶出现在主塔纵弯及横弯之后，主梁1阶竖向扭转频率1.138 Hz（阶数4）出现在主梁2阶反对称竖弯（阶数3）后，主塔纵弯频率0.446Hz（阶数1）出现在主塔横弯之前，说明主塔的横向刚度大于纵向刚度。

2.试验结论

在试验荷载作用下，弹性应变系数处于规程要求的常值范围，且有一定富余，结构强度符合设计要求；索塔纵向位移实测值、主梁横向挠度及纵向挠度小于理论计算值，主塔主塔刚度满足设计活载要求；测索力增量校验系数满足规程要求，卸载后相对残余满足规程不大于20%的要求，索结构弹性工作性能良好，全过程未出现裂缝，抗裂满足要求。

由桥梁特征值分析可知，该桥在各自由度方向整体刚度均较大，在运营过程中对车辆的冲击效应不敏感，具有良好的动力特性，主梁与主塔质量分布和刚度分布与设计较为一致。

3.结语

一般情况下对于结构复杂的斜拉桥交工时应进行动静载试验评定其力学性能是否达到设计预期目标。

参考文献：

[1]公路斜拉桥设计细则.（JTG/T D65-01-2007）.

[2]公路桥梁荷载试验规程.（JTG/T J21-01-2015）.

[3]斜拉桥.（刘士林）.

[4]上官萍，房贞政，卓卫东.塔梁墩固结斜拉桥结构受力分析.