双塔单索面预应力混凝土斜拉桥荷载试验分析

■赖锦兴

（福建省交通科技发展集团有限责任公司，福州 350004）

20 世纪90 年代以来，随着预应力理论的发展，钢材性能的不断提升，预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥在我国发展迅速。 预应力混凝土变截面连续箱梁具有较强的跨越能力，在跨江、跨河、跨沟壑山谷中较常使用。 但随着跨径的增长，大跨结构普遍存在“腹板开裂”“跨中下挠”和“非荷载裂缝增长”的问题。 矮塔斜拉桥的提出，是为了解决大跨径连续箱梁跨中下挠的一种组合结构。 相较于普通变截面连续箱梁桥，矮塔斜拉桥通过斜拉索的拉力效果，具有更大的跨越能力，同时能够通过调节斜拉索的索力缓解上述的常见问题。

在桥梁结构领域中， 随着科学技术的发展，桥梁结构各式各样，在为人民的交通出行提供便捷服务的同时，也使得人民的生活越来越依赖于这些桥梁[1-3]。 在大型、新颖结构桥梁大发展的同时，诸多学者将研究重点放在桥梁结构健康监测（Structure Health Monitoring，简称SHM）上，而在SHM 监测中， 首先需要获取的就是桥梁结构的初始状态信息[4-6]。 为了获得结构的初始状态信息，通常都需要对结构进行荷载试验， 以便全面了解桥梁结构在荷载作用下控制断面的应力、挠度等信息，从而推断、分析桥梁结构在荷载作用下的实际工作、受力状态[7-9]。

本文以福建省某座双塔单索面预应力混凝土斜拉桥荷载试验项目为依托，采用Midas/Civil 有限元软件建立有限元模型，通过分析得到桥梁结构在静载作用下的控制截面应力、 挠度理论值以及在动载作用下的结构振动振型等信息， 并将实测值与理论值进行比对分析， 从而实现对该桥状况的初始评定。

1 桥梁概况

依托桥梁全长为554 m，主桥长260 m（位于全桥的第4、5、6 跨）， 桥跨结构为70 m+120 m+70 m预应力混凝土部分斜拉桥。 主梁为C60 全预应力钢筋混凝土箱型梁结构， 主梁采用变截面单箱三室断面。 顶板宽23 m，顶板悬臂长度4 m，跨中梁高2.5 m，主墩顶梁高4.5 m，梁底曲线采用二次抛物线。 大桥设计荷载为公路-I 级。 主塔布置在中央分隔带上，采用钢筋混凝土结构、矩形截面，塔高19 m，斜拉索采用单索面双排索布置，全桥共32 对斜拉索。 大桥立面和主塔横断面如图1、2所示。

图1 大桥工程总体布置图

图2 主塔横断面布置图

为检验结构承载能力， 针对依托工程开展理论计算和试验研究，分析桥跨结构在试验荷载作用下的实际受力状态、工作状况，分析桥跨结构的自振特性以及长期使用荷载作用下的动力性能，为今后运营、养护、管理提供结构初始状态数据。

2 有限元模型的建立

为建立全桥的三维杆件体系， 对大桥整体受力情况分析计算， 采用大型有限元计算软件（MIDAS/Civil）对大桥进行建模，模型如图3 所示。 本次有限元模型的建立基于以下几点假设：（1）建立主桥成桥状态时斜拉索采用仅受拉的桁架单元模拟；（2）箱梁及塔、墩等主要构件均采用空间梁单元模拟；（3）主梁与拉索间采用添加刚臂的方式模拟，产生协同位移。大桥主桥活载计算内力图如图4所示。

图3 主桥MIDAS/Civil 有限元模型示意图

图4 大桥主桥活载计算内力图（中载工况）

3 桥梁静载试验结果及评定

桥梁结构静载试验主要是通过在桥梁上施加与设计荷载或者使用荷载基本相当的外部荷载， 用测试仪测得桥梁控制断面在静载作用下的应力、 位移等特征信息，进而对结构的实际工作状况进行评判。

3.1 主要试验工况及加载效率

根据设计文件要求， 试验荷载按照1.3 倍正常使用荷载在控制截面所产生的弯矩值确定， 取设计活载效的最大值作为本次试验的荷载控制值。 设计荷载按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中的公路-I 级人群荷载取值。 根据产生的该试验项目的最不利效应值，等效换算静态试验荷载，确定试验所需的加载车辆数量、吨位和轮位布置坐标。

通过计算分析本次试验采用等效荷载的原则布载， 需采用10 辆重约35 t 的双后轴车辆进行等效加载。 本桥静载试验共分为5 个试验工况，各试验工况下的荷载效率如表1 所示。

表1 静载试验各试验项目荷载效率结果汇总

3.2 静载试验测试结果与分析

本次试验应变测试采用型号规格为DH3819的静态应变测试系统，挠度测试采用LEICA 水准仪以及苏州一光DS05 水准仪， 位移测试采用TOPCON 全站仪。

3.2.1 挠度测试结果分析

在各试验加载工况作用下，各控制截面的桥面挠度的实测值及其理论值的比较如表2 所示。

表2 大桥各控制截面挠度分析

从表2 可知，各加载工况下，主桥桥面挠度实测值均小于理论计算值。 各测试截面实测的挠度校验系数为0.75～0.96，相对残余挠度最大值为9.5%，满足规范要求。跨中最大下挠值为8.56 mm，远远小于L/1600=120/1600=0.075 m=75 mm。

3.2.2 应变测试结果分析

在试验加载工况1 作用下，控制截面的应变实测分级加载曲线及其理论值的结果对比分析如图5、6 所示。 各加载工况下，整体箱梁应变实测值均小于理论值。 各测试截面实测的应变校验系数为0.45～0.93，相对残余应变最大值为18.2%，满足规范要求，箱梁梁体、塔柱结构的整体工作性能良好。

图5 1# 测点工况1 实测应变与荷载效率关系

图6 工况1 箱梁应变测试结果对比分析

3.2.3 主塔偏位测试结果分析

在试验加载工况作用下， 塔顶水平位移实测值最大为2.27 mm，小于理论值2.64 mm，实测的校验系数为0.86～0.93， 相对残余挠度最大值为2.0%，小于20%。

3.2.4 索力测试结果分析

对于成桥后的索结构， 目前采用弦振动理论，在试验加载工况作用下，测得4-D-Z-C8 斜拉索索力值为167 kN， 小于理论值180 kN， 满足规范要求，斜拉索工作性能良好。

该桥在静载作用下， 各加载工况， 整体箱梁挠度、应变实测值均小于理论计算值。测试截面实测校验系数主要均处于《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）规定的常值范围0.40～0.80，相对残余应变最大值小于该规程规定的20%，箱梁梁体、塔柱结构、斜拉索等的整体工作性能良好。斜拉索对抵抗车辆荷载产生的跨中下挠具有明显的贡献。 塔柱整体刚度满足设计要求，能够抵抗索结构的偏拉。

4 桥梁动载试验结果及评定

动载试验内容主要包括：（1）结构自振特性参数试验， 测试桥梁主梁结构竖向前4 阶的自振频率、阻尼比和振型，阻尼比可根据半功率带宽法计算获得；（2）动力响应试验，测试无障碍行车作用下结构的最大动应变和冲击系数，采用应变计和采集系统测试控制截面的动应变，进而计算不同试验工况下的冲击系数。

4.1 自振特性测试与分析

采用脉动法 （环境随机振动法）， 通过脉动试验，记录结构测点竖向振动时域信号，通过傅里叶快速分析，获得频谱分析结果，得到桥跨结构的竖向自振频率，了解桥跨结构竖向自振特性。理论前4阶竖向弯曲振型如图7 所示。

图7 理论计算大桥前4 阶竖向弯曲振型

在桥跨的四等分点跟八等分点截面相对应的桥面上，沿道路单侧放置脉动测点传感器。 拾振器摆放位置如图8 所示。

图8 拾振器纵向摆放图

实测的信号经FFT 分析、模态分析，得到大桥主桥桥跨结构的自振特性前4 阶模态参数及其与理论值的比较（表3）、跨中测点时域波形图和频谱图（图9）以及振型（图10）。

表3 大桥上部结构自振特性参数

图9 主桥测点时域波形图和频谱图

图10 实测大桥前4 阶竖向弯曲振型

4.2 动力响应试验测试与分析

桥梁冲击系数与桥梁固有频率、 结构阻尼比、行车速度以及车辆数有关， 受桥面平整度影响最大。 根据现场实际情况及合同要求，主桥结构动力响应性能试验（跑车试验）。 跑车试验在不同车速匀速跑车工况下，进行测试截面动应变测试，根据动应变时程曲线对桥梁结构动力响应性能进行分析。

现场采用2 辆静载试验载重汽车以10～40 km/h不同的车速通过主桥桥跨结构，1 辆加载车辆以10～40 km/h 不同的车速通过引桥桥跨结构， 应用INV3062C 测试中跨跨中截面的动应变， 分析其冲击系数。 在不同车速情况下，测得大桥的冲击系数和动应变如表4 所示，实测数据如图11 所示。

表4 主桥跨中截面冲击系数和动应变

图11 不同车速情况下跑车试验动应变时程图

该桥在动载作用下，主桥实测竖向自振频率均大于理论计算值，主桥实测振型和理论振型一致，结构实际刚度大于理论刚度，具有一定的刚度储备。阻尼比为0.465%～1.793%，该桥当前阻尼比相对较小，表明桥梁结构在环境振动下为小阻尼振动， 结构振动衰减较慢，耗散外部能量输入能力较弱。

5 结论

通过对该双塔单索面预应力混凝土斜拉桥进行成桥荷载试验，可以得出以下结论：（1）今后开展矮塔斜拉桥荷载试验检测，应通过分析现场施工工序以及工法，准确模拟索结构与梁体之间、塔柱与梁体之间的连接方式，施加设计活载，获得较为真实的理论计算值， 这是试验评价是否准确的关键；（2）矮塔斜拉桥开展荷载试验，必须开展的检测项目包括检测主梁、塔柱以及斜拉索受力性能的静载试验和动载试验，其中检测荷载工况下索结构的受力状况是分析组合结构共同受力的关键；（3）理论冲击系数是基于结构基频计算， 简化了结构分析，忽略了现场车-桥频率耦合作用以及桥面平整度等影响因素。 由于影响因素较多，实测冲击系数与理论计算值存在一定的差异。

经过在依托桥梁上施加与设计荷载或者使用荷载基本相当的外部荷载，分析其静态、动力两个方面的理论值与实测数据，各项指标、特征均满足相关规范规程要求；表明该桥目前的结构受力是合理的，也与设计理论相符合。 同时，该桥的荷载试验方法也可为类似结构的桥梁提供借鉴。