基于荷载试验的独塔双跨单索面叠合梁斜拉桥承载能力研究

彭武忠 刘龙平 许小鹏 刘如

摘要 桥梁荷载试验是一种较直接有效的在役桥梁承载能力评定方法。文章以唐山市曹妃甸工业区1#桥工程为背景，建立主桥全桥仿真分析模型，进行最不利工况下的仿真分析，并实施桥梁荷载试验。试验结果表明曹妃甸工业区1#桥试验跨刚度及强度满足设计及规范要求。工程实践结果表明：该文仿真分析方法及荷载试验方案可行，可对其他中小跨径独塔斜拉桥荷载试验及承载能力评定提供参考。

关键词 承载能力评定;斜拉桥;荷载试验

中图分类号 U441.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0074-03

收稿日期：2022-03-15

作者简介：彭武忠（1988—），男，硕士，中级工程师，研究方向：桥梁检测。

0 前言

随着我国公路与桥梁建设飞速发展，我国已成为桥梁大国。由于在役桥梁设计荷载等级略低，部分桥梁已不满足交通需求，加之养护不到位，使用过程中未及时修复缺损，造成桥梁老化日趋严重[1]。

方华兵等对重庆朝天门长江大桥成桥荷载试验进行了研究[2];肖永刚等对常见预应力简支空心板荷载试验方式进行承载能力判断的方法进行了研究[3]。王华等基于桥梁荷载试验分析了某山区大跨径单箱拱桥横向刚度分布，并与理论研究对比分析[4]。由此可见基于荷载试验对桥梁承载能力进行评估仍然是目前运用较多的一种方法，同时也间接表明桥梁荷载试验是一种常用的、较直接有效的在役桥梁承载能力评定的方法。

1 工程概况及荷载试验模型

1.1 工程概况

曹妃甸工业区1#桥主桥全长276 m，采用跨径为2×138 m的独塔单索面叠合梁斜拉桥。该桥为塔梁分离中小跨径斜拉桥，斜拉索呈扇形布置，共计32对斜拉索。主塔为独柱形混凝土塔。主梁采用单箱三室钢混叠合梁，梁高4 m。

1.2 荷载试验模型

根据曹妃甸工业区1#桥主桥受力特性，建立主桥Midas Civil仿真分析模型，对荷载试验各工况荷载作用下结构受力进行仿真分析。该桥属于中小跨径斜拉桥范畴，结构受力非线性不明显，可简化为线性受力模型。索单元则采用桁架单元模拟，不考虑索初始内力。承台底部建立5 m长群桩基础，以模拟桩土效应。主桥模型图如图1所示。

2 静载试验

2.1 测试截面与测点布置

2.1.1 测试截面确定

主梁最大正弯矩测试截面位于距梁简支端42.7 m处。主梁塔柱处最大负弯矩测试截面位于索塔处支撑点偏向大桩号侧1.5 m处。索塔应变测试截面受现场检测条件所限，选取横梁处索塔截面。

2.1.2 测点布置

叠合梁测点分布示意图见图2，索塔测点分布示意图见图3。索塔偏位测点布置于索塔处斜拉索最高锚固端上缘，且在一侧布置2个测点。

2.2 静载试验车辆及各工况效率系数

该桥荷载试验中采用与设计荷载等效的荷载进行加载，试验中加载车辆选用同一型载重四轴汽车，单辆车总重410 kN（前两轴重120 kN，后两轴重290 kN）。

将各工况荷载试验效率系数汇入表1中。

表1表明：在各工况试验荷载作用下，曹妃甸工业区1#桥主桥效率系数介于0.95～1.05之间，满足规范规定，主桥承載力得到充分试验，且不会损伤桥梁结构。

2.3 静载试验结果及分析

2.3.1 位移测试

工况1试验荷载作用下，桥面测点最大挠度值为49.87 mm，残余为0.52 mm，理论值为54.19 mm，校验系数为0.91，相对残余1.04%。工况3试验荷载作用下，桥面测点最大挠度值为51.31 mm，残余为1.71 mm，理论值为54.19 mm，校验系数为0.92，相对残余3.33%。

工况1、工况3主梁最大正弯矩测试工况荷载作用下，挠度测点实测最大值均小于理论最大值，挠度校验系数介于0.85～0.92之间，相对残余挠度最大值为7.77%≤20%，试验跨整体刚度满足规范要求。

2.3.2 应变测试

工况1、工况2、工况3应变测点测试结果如下：主梁测试截面梁底关键应变测点校验系数介于0.71～0.81之间，残余应变介于2.88%～8.33%之间。工况4应变测点测试结果如下：索塔测试截面校验系数介于0.75～0.79之间，残余应变介于4.55%～7.89%之间。

在各工况各级荷载作用下，关键应变测点实测值均小于理论值。测试结果表明主梁及索塔截面强度满足规范要求。

2.3.3 索力测试

在工况4最大试验荷载作用下，27-10-1#索索力增量实测最大值为253 kN<理论索力增量361 kN、27-10-2#索索力增量实测最大值为260 kN<理论索力增量361 kN、27-11-1#索索力增量实测最大值为265 kN<理论索力增量361 kN、27-11-2#索索力增量实测最大值为258 kN<理论索力增量361 kN。

工况4最大试验荷载作用下，索力实测值均小于理论值。测试结果表明结构实际受力与仿真分析相符合，斜拉索索力满足设计要求。

2.3.4 塔偏测试

在工况4最大试验荷载作用下，独柱索塔纵桥向偏位测点实测最大值为23 mm<理论值34 mm，且残余偏位实测最大值为9.52%<20%。

工况4最大试验荷载作用下，独柱索塔纵桥向偏位测点实测值均小于理论值，且卸载后索塔偏位恢复较好。测试结果表明结构实际受力与仿真分析相符合，索塔刚度满足设计要求。

3 桥梁动载试验

3.1 试验项目

（1）试验桥跨测试截面行车动力响应，采用在叠合梁梁底表面粘贴应变式传感器，通过DH3822施工状态检测系统，分析试验桥跨的动应变、动力放大系数、冲击系数等。

（2）试验桥跨结构动力特性，采用在试验截面布置速度传感器，采集信号，求解试验桥跨的固有频率等。

3.2 动载试验内容及测点布置

试验桥跨的动载测试采用跑车试验及脉动试验工况进行测试。

（1）跑车试验：用2辆静载试验车辆在桥面横向并排，以30 km/h、40 km/h、50 km/h速度，匀速通过测试桥跨，测定桥梁结构在各种行车速度下的动应变，计算试验跨结构实测动力放大系数。跑车试验测点采用各跨静载试验截面梁底板应变测点。

（2）脉动试验：桥面无车辆通行、测试跨附近无规则振源的情况下，通过测定桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动来识别结构自振特性参数。主桥脉动试验测点布置为各跨8等分点处截面。测试时采用7/8 L处测点为不动点。

3.3 动载试验结果及分析

3.3.1 脉动试验

脉动试验测试结果如下：①第1阶：实测频率0.635>理论频率0.605;②第2阶：实测频率1.074>理论频率1.034;③第3阶：实测频率1.611>理论频率1.604。前三阶实测频率均大于理论频率，实测振型与理论振型一致。

由此可知：试验跨整体刚度满足规范要求，仿真分析与实际贴合。

3.3.2 跑车试验

将跑车试验各工况动应变测试结果进行分析，将实测动力方法系数列入表2中。

由表2可知，實测动力放大系数最大值为0.107，略大于理论冲击系数0.05。（该桥竖向振动基频为0.605，根据《公路桥涵设计通用规范》[5]4.3.2款中第5条中规定，理论基频小于1.5 Hz，理论冲击系数取值0.05。）

导致该测试结果出现原因可能为：①动载试验荷载效率系数偏小，动应变较小，导致计算冲击系数偏大;②桥面伸缩缝型钢断裂、脱落，会增加行车的不平顺，导致车辆对梁体的冲击作用增大。

4 结论

（1）采用荷载试验方式对在役桥梁进行承载能力评定，可以较为直观地对桥梁承载能力进行一个评判。

（2）桥梁荷载试验中，动载试验效率系数不宜过低，否则影响冲击系数的测试结果。

（3）对仅需进行荷载试验方式评定承载能力的中小跨径斜拉桥，可采用线性结构模拟，以便简化建模过程，提高计算效率，且降低建模出错率。

（4）静载试验结果表明：各控制截面关键应变及关键挠度测点校验系数满足规范要求。相对残余应变及相对残余变形满足规范要求。在各工况荷载作用下，桥梁接近于弹性工作状态。

（5）动载试验表明：试验跨的实测振动基频略大于理论振动基频，桥梁实际刚度大于仿真分析刚度，主桥实测振型与理论振型一致，表明仿真分析结果与实测结果一致。

（6）试验跨结构承载能力可满足设计荷载的正常使用要求。

参考文献

[1]陈榕峰， 宋丹， 高鹏. 公路桥梁荷载试验综述[J]. 交通标准化， 2006（10）： 28-30.

[2]方华兵， 李鸥. 重庆朝天门长江大桥成桥荷载试验研究[J]. 铁道建筑， 2015（2）： 12-15.

[3]肖勇刚， 胡丽湘. 基于荷载试验的预应力空心板桥承载能力分析[J]. 公路与汽运， 2014（1）： 210-214.

[4]王华， 宋波， 张建仁， 等. 基于桥梁荷载试验的山区大跨径拱桥横向刚度研究[J]. 公路工程， 2021（1）： 1-4.

[5]公路桥涵设计通用规范： JTGD60—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.