某山区超宽混凝土斜拉桥荷载试验检测技术研究

宋 波,王 华,张旭辉,彭建新

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015；2.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州 贵阳 550000；3.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；4.长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410114)

随着山区公路交通的迅速发展，世界级桥梁在数量上急剧增加，相应检测技术也提出了很高的要求[1-3]。随着新版《公路桥梁荷载试验规程》JTG/T J21-01-2015的发布，公路桥梁荷载试验检测有了较明确的规程条文；但是，山区超宽混凝土斜拉桥的荷载试验检测相关的计算工作等技术要求，跟常规桥梁有不太一致的地方，由于超大跨径，相应主梁挠度、索塔偏位等参数数据比较大，此时计算方法应按照桥梁实际状态根据规范的原则来做适当调整[4-7]，在满足检测目的的基础上保证结构的安全运营及使用性能。

1 桥梁概况

楠木渡乌江特大桥是兰海高速贵州境遵义至贵阳段扩容工程上的一座特大桥梁，由北往南横跨乌江。桥梁全长958 m，主桥中心桩号为K38+920。主桥桥面宽37.6 m，引桥桥面宽33.5 m。桥跨布置为：2×40+(40+110+320+110+40)+(40+42+42)+3×42 m。其中主桥采用(40+110+320+110+40)m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主梁采用C55预应力混凝土主梁，双边箱断面，主梁中心高3.2 m，顶板宽37.6 m(含封嘴)，桥面设2%的双向横坡。边箱箱底板宽4.0 m，三角部分宽6.8 m，主梁标准段长度为6.0 m，标准段顶板厚0.3 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m，三角部分斜底板厚0.3 m。

2 静载试验

2.1 试验内容

通过测定桥跨结构在试验荷载作用下的控制截面应力和挠度，并与理论计算值比较，判定实际结构控制截面应力与挠度值是否与设计要求相符；通过现场加载试验对试验观测数据和试验现象的综合分析，对实际结构作出总体评价。

2.2 测试截面及测点布置

挠度测试截面：边跨在相应工况测试截面(J2、J8)横桥向设置3个挠度测点，根据现场条件，采用精密光学水准仪进行测试；主跨工况横桥向设置3条测线(左幅、中央侧、右幅)，每条测线纵向沿主跨8分点设置7个测点，总共布设21个测点，根据现场条件，采用连通管进行测试。挠度测点布置详见图1、图2。

图1 挠度测试截面布置图(单位：m)

图2 挠度测点横向布置图(单位：cm)

应变测试截面：选取3#辅助墩最大负弯矩截面(J1)、第4跨跨中截面(J2)、4#墩墩顶最大负弯矩截面(J3)、主跨L/4截面(J4)、主跨最大正弯矩截面(J5)、主跨跨中截面(J6)、5#墩墩顶最大负弯矩截面(J7)、第6跨跨中截面(J8)、6#辅助墩最大负弯矩截面(J9)、4#和5#主塔塔顶最大水平位移截面(J10、J11)、4#和5#主塔塔柱根部弯矩截面(J12、J13)作为应变(应力)测试截面。应变测点布置详见图3～图6。

图3 全桥应变测试截面布置(单位：m)

图4 J1、J3、J7、J9截面应变测点布置

图5 J2、J4～J6、J8截面应变测点布置

图6 J12、J13截面应变测点布置

2.3 荷载试验工况布置

结构计算中按公路-Ι级最不利布载，取控制截面最大弯矩作为试验加载截面的控制值。静力荷载试验工况及各试验加载截面的控制内力见表1。

表1 主桥静载试验荷载效率Table1 Loadefficiencyofmainbridgeunderstaticloadtest加载工况加载项目试验计算值/(kN·m)理论计算值/(kN·m)荷载效率工况1J1截面3#辅助墩最大负弯矩-51308.75-52788.20.972工况2J2截面第4跨跨中正弯矩33345.1735069.30.951工况3J3截面4#墩墩顶最大负弯矩-35803.72-41323.40.866工况4J4截面主跨L/4处主梁正弯矩31514.8531685.50.995工况5J5截面主跨主梁最大正弯矩40944.2142652.40.960工况6J6截面主跨跨中正弯矩43520.9241905.41.039工况7J7截面5#墩墩顶最大负弯矩-41355.2-35471.730.858工况8J8截面第6跨跨中弯矩33208.37328941.010工况9J9截面6#辅助墩最大负弯矩49764.86-51111.30.974工况11J12截面对应的4#主塔塔柱根部弯矩-25258.9-53106.80.477J13截面对应的5#主塔塔柱根部弯矩-32811.5-81513.20.403 注:工况10为J10、J11截面对应的4#、5#主塔塔顶最大水平位移,其试验计算值41.187mm,理论计算值61.058mm,荷载效率0.675。

2.4 试验结果

a.主梁挠度。

工况2(J2截面第4跨跨中正弯矩)作用下各测点挠度满载值见表2和图7。遵义侧最大弹性挠度为19.91 mm，挠度结构校验系数在0.68～0.83之间，相对残余挠度在-17.85%～2.40%之间，卸载后整体上挠度恢复正常。

表2 工况2作用下挠度实测结果Table2 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions2mm工况2中载测试位置左侧弹性挠度中央弹性挠度右侧弹性挠度计算挠度F19.679.789.1113.37F219.9119.0817.9523.99F310.5910.3310.4013.13注:表中数据相对残余挠度均小于20%。

图7 工况2作用下实测挠度与理论值对比图

工况6(J6截面主跨跨中正弯矩)作用下各测点挠度满载值见表3和图8。工况6实测桥跨最大弹性挠度为118.13 mm，挠度结构校验系数在0.79～0.99之间，均值0.94，主要测点相对残余挠度在-9.59%～16.55%范围内。在试验荷载下，主桥试验桥跨结构整体刚度满足公路-I级汽车荷载的正常使用要求。

表3 工况6作用下挠度实测结果Table3 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions6mm工况2中载测试位置左侧弹性挠度中央弹性挠度右侧弹性挠度计算挠度F112.5712.0212.9713.67F239.2438.5339.3039.71F386.1985.6588.0289.33F4116.18116.05118.13122.04F589.7289.6488.7193.05F641.0541.6540.5142.76F713.5412.9711.7314.84注:表中数据相对残余挠度均小于20%。

图8 工况6作用下实测挠度与理论值对比图

b.主梁应变。

J2截面工况2应变检测结果见表4和图9、图10。对比实测桥跨应变及与理论计算值，得出遵义侧边跨主要测点应变校验系数在0.45～0.90之间，卸载后整体上恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变在20%范围内，应变实测线性相关性较好。

图9 J2截面加载2-1#～2-24#测点实测应变值与计算值的比较

图10 J2截面加载2-1#测点实测应变值与荷载的关系曲线

J6截面工况6应变检测结果见表5和图11、图12。J6截面工况6作用下，对比实测桥跨应变及与理论计算值，得出主桥主桁主要测点应变校验系数在0.26～0.99之间，卸载后整体上恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变在20%范围内，应变实测线性相关性较好。

表5 J6截面工况6应变检测结果Table5 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ6un-derworkingconditions6测点编号总应变值/με满载弹性应变/με实测残余应变/με应变理论计算值/με校验系数相对残余应变/%6-168664950.696.376-36886-13950.91-19.126-6-17-15-1-280.546.006-7-15-15-2-560.2610.876-8-22-24-3-560.4215.156-10-21-27-2-560.4811.116-12-41-56-2-560.994.886-14-15-150-560.270.006-16-18-180-560.320.006-18-16-16-2-560.2912.506-2047467710.6414.896-225559-4950.62-7.27

图11 J6截面加载6-1#～6-24#测点实测应变值与计算值的比较

图12 J6截面加载6-3#测点实测应变值与荷载关系曲线

J13截面工况6(5号主塔塔底)应变检测结果见表6和图13、图14。对比实测桥跨应变与理论计算值，得出5号塔底主要测点应变校验系数在0.50～1.00之间，卸载后整体上恢复正常，各荷载工况下主要控制测点相对残余应变在20%范围内，应变实测线性相关性较好。

图13 5#主塔加载13-1#～13-12#测点实测应变值与计算值的比较

图14 5#主塔截面加载13-9#测点实测应变值与荷载的关系曲线

由此可见，在试验荷载下，试验桥跨结构强度满足公路-I级汽车荷载的正常使用要求。

表6 J13截面工况6(5号塔底)应变检测结果Table6 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ13underworkingconditions6(Towerbottomof5)测点编号总应变值/με满载弹性应变/με实测残余应变/με应变理论计算值/με校验系数相对残余应变/%13-1-5-50-60.830.0013-2-4-40-60.670.0013-3-5-4-1-60.6720.0013-4-4-40-60.670.0013-5-5-50-60.830.0013-6-5-4-1-60.6720.0013-722030.670.0013-822030.670.0013-922030.670.0013-1011030.330.0013-1122030.670.0013-1211030.330.00

c.主塔塔顶偏位。

4#索塔实测偏位值最大为33.6 mm，校验系数为0.76～0.91；5#索塔实测偏位值最大为33.4 mm，校验系数为0.65～0.97，实测值小于计算值。说明索塔刚度满足设计要求。测试结果见表7、表8。

表7 各工况下4#索塔塔顶偏位测量结果Table7 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof4undervariousworkingconditions工况偏位方向(纵桥向)实测偏位值/mm计算值/mm校验系数工况3向贵阳侧偏位5.26.360.82工况4向贵阳侧偏位6.68.720.76工况5向贵阳侧偏位13.614.910.91工况6向贵阳侧偏位24.330.650.79工况7向贵阳侧偏位5.46.820.79工况10向贵阳侧偏位33.641.20.82注:主塔向贵阳侧偏移为正,主塔向遵义侧偏移为负。

表8 各工况下5#索塔塔顶偏位测量结果Table8 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof5undervariousworkingconditions工况偏位方向(纵桥向)实测偏位值/mm计算值/mm校验系数工况3向遵义侧偏位-19-29.440.65工况4向遵义侧偏位-21.0-21.670.97工况5向遵义侧偏位-33.4-34.890.96工况6向遵义侧偏位4.04.250.94工况7向贵阳侧偏位-16.8-21.970.76工况10向遵义侧偏位-19-29.440.65注:主塔向贵阳侧偏移为正,主塔向遵义侧偏移为负。

3 模态试验

桥梁的动力特性，通常主要通过有限元计算和试验模态分析两种方法获得。通过模态试验得到桥梁的实测振型并与理论振型对比分析，分析并验证桥梁结构刚度的合理性。

本桥竖向振型拟选取主跨在十六等分点处布置测点，边跨在二等分点处布置测点，次边跨在四等分点处布置测点，参考点选在主跨的3/8跨处右侧，即为共29个测试截面，每个测试截面分左、右侧布置测点，每侧29个测点，2个主塔布置在塔梁结合处和上横梁上，左右各布置2个测点，共计66个测点。截面及测点布置见图15、图16。用1台仪器同时测量(参考点位置仪器不动)，其余11台仪器可移动测量，分6批次进行采集。

图15 模态试验截面布置图(单位：m)

图16 主梁测点横截面布置示意图(单位：m)

竖向模态测试结果见表9。

表9 竖向模态(前6阶)测试结果Table9 Testresultsofverticalmodalofthetopsixsteps阶次实测频率理论值阻尼比振型特征10.4090.3901.2正对称竖弯20.5860.5331.1反对称竖弯30.7750.7183.0扭转40.9090.9265.3正对称竖弯51.1601.0661.0反对称竖弯61.2271.1911.9扭转

竖向模态测试实测振型图与理论振型图(前三阶)见图17～图22。

图17 模态测试1阶振型图(f1=0.409 Hz)

图18 理论计算1阶振型图(f1=0.390 Hz)

图19 模态测试2阶振型图(f2=0.586 Hz)

图20 理论计算2阶振型图(f2=0.533 Hz)

图21 模态测试3阶振型图(f3=0.775 Hz)

图22 理论计算3阶振型图(f3=0.718 Hz)

由以上图表分析可知，主梁前三阶实测频率均大于理论频率，表明主梁实测整体刚度均大于设计刚度；桥梁振型无异常情况，实测振型与理论计算振型吻合，实测阻尼正常，说明乌江特大桥主桥动力特性和动力响应正常。

4 结论

本文依托楠木渡乌江特大桥对山区超宽混凝土斜拉桥荷载试验检测的技术难题和关键技术问题进行研究，得出结论如下：

a.通过挠度数据分析得出主要测点挠度校验系数在0.68～0.99之间，各试验工况下主要测点相对残余挠度在20%范围内，卸载后整体恢复正常。在试验荷载下，主桥试验桥跨结构整体刚度满足公路-I级汽车荷载的正常使用要求。

b.试验荷载下，主要测点应变校验系数在0.26～0.99之间，各试验工况下主要测点相对残余应变在20%范围内，卸载后整体恢复正常。该桥试验桥跨结构强度满足设计荷载标准(公路—Ι级)的正常使用要求。

c.4#、5#索塔实测偏位值校验系数为0.65～0.97，实测值均小于计算值，索塔刚度满足设计要求。

d.通过模态分析对比，主梁实测整体刚度均大于设计刚度，桥梁振型无异常情况，结构能满足实际需求。