某预应力砼单塔三跨双索面斜拉桥荷载试验与评定

王翔

(佛山市公路桥梁工程监测站有限公司， 广东 佛山 528041)

1 工程概况

某预应力砼单塔双索面斜拉桥，主桥桥跨布置为(56+94+180) m。主桥采用H形砼桥塔，为塔梁固结体系，桥塔处固结，辅助墩、过渡墩顶设纵向、双向活动支座。主塔塔身由塔座、下塔柱、下塔柱横梁、中塔柱、上塔柱、上塔柱横梁等组成。引桥为简支体系，先简支后桥面连续。每侧桥面布置52根斜拉索，全桥共104根。

2 桥梁结构计算

采用桥梁分析软件MIDAS/Civil建立该独塔双索面预应力砼斜拉桥有限元模型(见图1)，通过控制截面试验数据与理论计算数据对比分析，根据《公路桥梁荷载试验规程》对桥梁承载能力及工作状态进行评价。

图1 全桥MIDAS/Civil计算模型

通过软件计算试验荷载作用下各工况试验弯矩，并与控制值比较，获得试验荷载效率(见表1)。在满足试验要求的前提下尽可能减少加载量，适当合并加载工况。采用单车总重P=350 kN的车辆加载，荷载试验控制截面布置见图2，荷载效率取值为0.85～1.05。

表1 荷载试验控制截面荷载效率

图2 荷载试验控制截面位置示意图(单位：m)

3 桥梁静载试验分析

3.1 挠度

挠度测点沿试验桥跨两侧的支点位置、1/4位置和跨中位置布置，主跨测点在1/8位置和控制截面加密布置(见图3)。

图3 挠度测点布置(单位：m)

控制截面实测挠度与理论计算挠度见表2。其中校验系数η=Se/Ss，相对残余ΔSp=Sp/St×100%。

表2 实测挠度与理论计算挠度比较

由表2可知：A截面最大正弯矩中载、偏载实测挠跨比分别为0.010 15/94=1.08×10-4、0.014 36/94=1.53×10-4(见图4、图5)，D截面最大挠度中载、偏载实测挠跨比分别为0.063 49/180=3.53×10-4、0.073 25/180=4.07×10-4，均小于1/500=2.0×10-3，满足规范要求。

图4 A截面实测挠度与理论计算挠度比较

图5 D截面实测挠度与理论计算挠度比较

3.2 应变

在A、B、C截面布设18个应变测点，E截面布设20个应变测点，塔脚布设20个应变测点(见图6、图7)，测试各截面的应变，结果见表3。

图6 主梁应变测点布置(单位：cm)

图7 塔脚应变测点布置(单位：cm)

由表3可知：除B截面最大正弯矩偏载工况外，其他截面工况下应变效验系数均满足规范中预应力砼桥应变校验系数为0.60～0.90、相对残余应变≤20%的要求。B截面最大正弯矩偏载截面底板弹性应变均值Se为13.7 με，理论应变Ss为23.9 με，应变校验系数η=Se/Ss=0.573<0.60～0.90，不满足要求；最大应变均值St为15.7 με，对应残余应变Sp为2.0 με，相对残余应变ΔSp=Sp/St×100%=12.7%≤20%，满足要求。B截面最大正弯矩偏载应变见图8。

图8 B截面实测最大应变与理论计算应变比较

表3 实测应变与理论计算应变比较

如图9所示，拟合中性轴高度为172.40 cm，与理论计算值209.00 cm的相对误差为17.51%，实测拟合中性轴高度比理论计算中心轴高度低；最大试验荷载作用下，实测应变沿截面高度呈线性变化，线性相关系数r为0.978 3，符合平截面假定(n=4，置信度大于95%)。

图9 最大试验荷载作用下实测应变沿截面高度的分布

3.3 主塔塔顶、主梁梁端水平位移

在主塔塔顶布置位移测点T1、T2，并安装一个棱镜，采用徕卡TM50全站仪观测塔顶位移。主梁梁端布置水平位移测点N1、N2，采用百分表测量梁端位移(见图10)。试验荷载作用下塔顶实测水平位移见表4，主梁梁端实测水平位移见表5。

图10 主塔塔顶、主梁梁端水平位移测点布置

表4 塔顶实测水平位移与理论计算位移比较

表5 主梁梁端实测水平位移与理论计算位移比较

由表4可知：塔顶水平位移测点T1、T2的实测弹性变形均值Se为20.59 mm，对应理论计算变形Ss为22.44 mm，校验系数η=Se/Ss=0.917，满足挠度校验系数为0.70～1.00的要求；实测最大水平位移均值St为20.00 mm，对应残余挠度Sp为-0.59 mm，相对残余挠度ΔSp=Sp/St×100%=-3.0%≤20%，满足要求。

由表5可知：试验工况下主梁梁端M截面无显著纵向位移。

3.4 最大索力

测试主跨P16～P18拉索(位于第11跨)的索力，左右各3根。在拉索上安装索力传感器，采用振动法测试试验荷载作用下索力增量，并与MIDAS/Civil计算索力增量进行对比。实测索力增量与计算索力增量见表6，最大索力工况安全系数见表7。

表6 实测索力增量与理论计算索力增量比较

表7 最大索力工况安全系数

从表7可看出：最大试验荷载作用下，Z-P17、Y-P17拉索的索力增量略大于理论值(拉索实测索力的安全系数大于2.6)，其余拉索的索力增量符合规范要求。

4 桥梁动载试验

4.1 脉动试验

该桥为直桥，桥梁以竖向振动为主。全桥共布置26个测点(包括1个参考点)，分9批次进行振动信号采集。拾振器尽量避免布置在理论计算振动的节点位置。主桥振动测试结果见表8，振型见图11。

表8 主桥结构自振频率及振型测试结果

4.2 受迫振动试验

(1) 无障碍行车试验。采用2辆约35 t的重车匀速并排通过桥面，利用跨中布置的振动测点对结构振动响应进行测试。根据现场条件，采用10～50 km/h的行驶速度进行测试。不同速度下冲击系数见表9。由表9可知：在10～50 km/h行车速度下，第11跨实测冲击系数均小于理论冲击系数，结构冲击效应无明显异常。

表9 无障碍行车时不同行车速度下第11跨冲击系数

(2) 有障碍行车试验。采用弓形板模拟桥面坑洼进行有障碍行车试验。采用2辆约35 t的重车匀速并排同步越过桥面测试截面7 cm高的弓形板，利用跨中布置的振动测点对结构振动响应进行测试。采用10～30 km/h的行驶速度进行测试。不同速度下冲击系数见表10。由表10可知：第11跨在10～30 km/h有障碍行车试验中的最大冲击系数为0.042，大于无障碍行车试验的0.025，说明桥面坑槽、不平顺等会加大车辆对桥梁的冲击作用。

表10 有障碍行车时不同行车速度下第11跨冲击系数

5 结论

(1) 该桥在静载试验各主要控制工况下的校验系数及残余变形、主塔塔顶水平位移、索力增量等均满足规范要求，试验桥跨工作状况良好，主要受力构件处于弹性工作状态。

(2) 在试验荷载作用下，试验桥跨实测振型与理论计算振型基本相符，实测频率大于理论频率，结构实际刚度大于理论刚度；实测冲击系数小于理论冲击系数，桥面平整度良好，桥跨结构在受力时抵抗弹性变形的能力强。

(3) 该桥在荷载作用下结构稳定，受力合理，工作状况正常，承载能力满足设计荷载要求。