太原迎宾桥荷载试验分析与评定

孙竞飞 廖玉杰

关键词：空间斜主缆;自锚式悬索桥;荷载试验;承载能力

工程概况

太原迎宾桥主桥采用倾斜独塔空间大角度双索面吊杆空间斜主缆自锚式悬索桥，桥梁总长420m，跨径组合为86+155+93+86m。主桥的钢主梁采用分幅式断面，每幅钢梁上宽1550mm，梁高450mm，两幅桥之间设横梁相接。主桥共有一个桥塔，桥塔高出桥面103m，全高107.5m（至梁底）。立面倾斜角度22.8°。塔顶设有主缆上锚点和背索上锚点。主桥共设有两根主缆，布置在背跨范围，主缆上方与塔顶相接，下方与主梁两侧相接，主缆抗拉强度1670MPa。主桥共设有22对吊杆，吊杆上方与主缆索夹相接，下方与钢主梁边横梁上的耳板相接。吊杆抗拉强度1860MPa。

设计荷载为城—A级。

该桥效果图见图1.1。

模型建立

本试验采用空间有限元软件Midas Civil对桥梁结构进行建模分析，其中主塔和梁为钢结构，基于其受力特性，采用梁单元模拟，共计233个单元，考虑到主缆和吊杆只能受拉，不能受压，故采用受拉索单元模拟，共计92个单元。有限元模型见图2.1。

试验内容

根据本桥结构特性以及《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的要求，确定本次静载荷载试验的工况、加载内容和测试内容。

静载试验测点布置

挠度测点布置

在梁体加载跨的4分点及相邻跨跨中位置对应桥面处各布置3个竖向挠度测点;桥塔上、下游塔柱塔顶索鞍位置纵向位移测点，共布置2个。

测试截面及具体测点布置见附图3.1.1。

应变测点布置

在梁体试验截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E各布置22个静应变测点，桥塔试验截面G-G布置9个静应变测点。

测试截面布置位置见附图3.1.2，具体测点布置见附图3.1.2～图3.1.3。

静载试验内容

本次试验采用载重汽车（单车重84+168+168=420kN，轴距为3.8m+1.4m）充当荷载。载重汽车的停放位置和数量，是根据荷载等效换算而得，具体方法是通过计算，使试验荷载作用下产生的最大效应值与设计荷载产生最不利效应值（含冲击）之比介于0.85到1.05之间。

本桥设计荷载为“城—A级”，其产生的试验截面的控制内力，进行试验荷载设计，试验加载的效率系数见表3.2.1，加载附圖、加载方式见图3.2.1～图3.2.6。从表中可以看出，各工况作用下荷载效率系数介于0.88～1.02，处于0.85～1.05的范围。

动载试验内容

测试振型、频率及阻尼比，反应桥跨结构自振特性;

无障碍行车试验是桥面铺装层较好的状况下，车速为5、10、20、30、40、50、60km/h时， 测试A-A、C-C、E-E截面的动载响应和冲击系数;

有障碍行车试验是桥面铺装层破损的状况下，车速为5、10、15、20km/h时，测试 A-A、C-C、E-E截面的动载响应和冲击系数。

A-A、C-C、E-E截面底面各布置4个动应变测点。

检测结果

静载试验结果

静载试验过程中，通过对试验的控制及观测，卸载后梁体结构未见明显残余应变及变形;试验过程中未出现其它异常情况。

挠度测试结果

试验荷载作用下，试验跨结构挠度测试结果见表4.1.1。试验结果表明：挠度结构校验系数介于0.73～0.91之间，加载作用下的相对残余挠度均小于20%;在加载的荷载作用下，校验系数处于规范规定的合理范围以内，表明试验的桥跨结构刚度大于理论值，处于较好状态。

应变测试结果

从表4.1.2可以看出A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、G-G截面的应变实测值及与计算值的比较情况。

试验结果表明：荷载作用下，梁体应变结构校验系数介于0.78～0.91之间，相对残余应变均小于20%，试验截面应变校验系数处于规范规定的合理范围以内，表明试验的桥跨结构强度储备足够，处于较好状态。

主塔位移测试结果

B/C工况中载作用下，主塔纵向位移36.8mm，计算值为39.1mm，结构校验系数为0.94，相对残余挠度小于20%;D/F/G/H工况中载作用下，主塔纵向位移为49.2mm，计算值为53.5mm，结构校验系数为0.92，相对残余挠度小于20%;试验工况下位移结构校验系数处于合理范围。

主桥索力测试结果

H工况中载作用下，S7拉索索力增量为38.8kN，计算值为41.3kN，结构校验系数为0.94，试验工况下索力增量结构校验系数处于合理范围。

动载试验结果

自振特性测试结果

自振特性的测试可以利用自然因素作为振源，测出桥梁结构在自然因素作用下的响应，求出桥梁的自振特性，测试结果见表4.2.1，篇幅所限，仅列出前三阶振型。

将采集的脉动信号做FFT分析，与理论计算结果进行对比，计算振型和实测振型基本一致，但实测的自振频率略低，阻尼比无计算值，采用公式进行估算，与同类型桥梁进行比较，实测阻尼比属正常范围，所以桥梁的自振特性较好。

激振测试结果

试验跨在不同车速下试验截面的冲击系数（1+μ）曲线见图4.2.1～图4.2.2。

检测结果表明：

A-A截面实测无障碍行车冲击系数介于1.02～1.10之间，实测有障碍行车冲击系数介于1.26～1.48之间、C-C截面实测无障碍行车冲击系数介于1.02～1.06之间，实测有障碍行车冲击系数介于1.11～1.22之间、E-E截面实测无障碍行车冲击系数介于1.02～1.08之间，实测有障碍行车冲击系数介于1.24～1.35之间，可见桥面铺装层破损时，汽车对桥跨结构的冲击明显增大;

冲击系数总体呈现随跨径增大而减小的趋势;

通过与同类型桥梁的比较发现，无障碍和有障碍行车的激振响应属于正常范围。

检测结论

通过静载试验可以发现，挠度和应变实测值与理论计算值相比，规律基本吻合，说明有限元分析模型很好地符合桥梁的实际特性。

静载试验的校验系数没有超出规范对该类型桥梁的要求，说明与理论值相比，实际的强度和刚度更高;残余变形亦没有超出规范对该类型桥梁的要求，說明加载作用下结构处于弹性状态。

计算振型和实测振型基本一致，但实测的自振频率略低，实测阻尼比属正常范围，桥梁的自振特性较好。

桥面铺装层较好时，冲击系数介于1.02～1.10之间，桥面铺装破损时，汽车对桥跨结构的冲击明显增大，增大至1.11～1.48之间，养护阶段应对桥面铺装状况做好检查，避免出现坑槽和石头，降低车辆冲击效应。

冲击系数总体呈现随跨径增大而减小的趋势。

参考文献：

[1]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）[S].

[2]《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）[S].

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[5] 李翔，端茂军，魏洋，等.大跨径非对称独塔斜拉桥荷载试验分析[J].森林工程，2019，35（5）：91-97.

[6] 张宏斌，大跨度自锚式悬索桥静载试验及动力特性理论分析[J].北方交通，2012，（8）：46-48.

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[9] 王灿，刘永健，王莹，刘亮.斜塔有背索斜拉桥结构参数敏感性分析[J].世界桥梁，2013，41（2）：35-39.

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作者简介：

孙竞飞，男，出生于1988.02，工学硕士，工程师，就职于四川交大工程检测咨询有限公司，四川省成都市，邮编610036

文章标题：太原迎宾桥荷载试验分析与评定