自锚式悬索桥成桥荷载检测分析

彭及跃

(东莞市交业工程质量检测有限公司，广东 东莞 523001)

0 引言

自锚式悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁，由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。此类桥梁结构特殊复杂，跨度较大，施工和成桥时受力状况比较难控制和检测。本文以东江南支流港湾大桥（沙田大桥）为例，对自锚式悬索桥的成桥荷载试验检测技术进行结构分析。

1 自锚式悬索桥荷载试验检测分析

1.1 自锚式悬索桥荷载试验检测目的

1.1.1 直接了解该桥的实际结构受力状况，判断在荷载作用下的实际承载能力，并验证设计计算结果，结合荷载实测数据评价大桥在设计使用荷载下的结构性能。

1.1.2 获得该桥在荷载作用下的结构动力特性等桥梁特征参数，并验证大桥在抗风、抗震荷载作用下的实际工作状况。

1.1.3 为桥梁在竣工验收过程中提供重要的桥梁数据，并作为桥梁的基本信息和数据档案，为桥梁使用阶段的安全监测和健康运营提供充足的技术保障。

1.1.4 验算该类型特殊桥梁的技术规范，并为后续其他同类桥梁技术提供数据参考。

1.2 自锚式悬索桥荷载试验检测难点

1.2.1 此类桥梁一般为特大桥，梁体结构尺寸较大，试验检测时受环境温度影响较大。温差变化容易引起结构变形，影响应力应变的测量结果。

1.2.2 由于桥型结构复杂、跨径较长、桥面板宽大，加载时容易因为荷载集中引起桥面板局部应力过大和非结构构件过度变形，出现异常情况[1]。

1.2.3 此类桥梁结构内力较大，试验检测加载时吨位大、车辆多，跨中产生的竖向位移较大，结构变形过大容易造成损伤、残余量过大。

1.2.4 为准确反映此类桥梁结构的实际变形和应力状态，测量点位布置较多，存在一定困难。

1.3 自锚式悬索桥荷载试验检测注意事项

1.3.1 桥梁结构受力状况和成桥荷载试验检测方案应经过详细认真的计算分析，并经过专家反复论证后方可施行。

1.3.2 为避免温度影响，应选择温度较低的时段做试验，比如夜晚。同时，在荷载试验过程中随时注意现场温度的变化。施工过程中积累的大量温度影响资料，也可为荷载试验提供指导。

1.3.3 为避免因荷载集中引起桥面板局部应力过大和非结构构件过度变形，以及因加载吨位大、车辆多使结构变形过大而造成损伤，加载时每个工况应分多级加载，详细记录实测数据，认真观察结构变形，实时判断结构反应是否正常。

1.3.4 根据检测方案进行加载车辆的布置，并在各个关键截面点位布置测点，使试验检测数据能够准确反映此类桥梁结构的实际变形和应力状态[2]。

2 工程实例

2.1 工程概况

东江南支流港湾大桥（沙田大桥）全长2131.6m，主桥为60+130+320+130+65=705m 的五跨双塔钢箱梁自锚式悬索桥，为目前国内最大跨径“先缆后梁”自锚式悬索桥。主梁采用扁平流线型加劲梁，正交异性板桥面，梁高3.5m，全宽38.5m。桥塔是由塔柱、横梁组成的门式框架结构。设计荷载为公路-Ⅰ级。

2.2 计算分析

采用Midas Civil 有限元软件建立该悬索桥分析模型。此次荷载试验选用350kN 重的加载车辆，静载分5 个工况。为满足静力荷载试验效率的要求，最大用车工况使用22 辆车加载。立面布置、横断面布置、计算模型和主要结构内力见图1～图6。

图1 东江南支流港湾大桥立面布置图

图2 东江南支流港湾大桥主梁横断面布置图

图3 有限元分析模型

图4 可变荷载作用下弯矩包络图（偏载）

图5 可变荷载作用下弯矩包络图（中载）

图6 一阶振型图（频率H=0.397943）

2.3 试验检测措施

2.3.1 在荷载试验理论分析过程中，选择桥梁最不利工况进行荷载试验，并应用精密仪器准确检测桥梁的实际变形和应力变化。

2.3.2 严格监测试验全程，统一协调指挥和调度，正式加载试验前，用第一级加载试验车对桥梁加载跨进行预加载，按结构最不利受力特点进行预压30min。预加载是为了使桥梁结构能够提前进入弹性工作状态，并能够提前了解各类仪器的使用情况，使整个检测过程顺利进行[3]。

2.3.3 在加载过程中，进行分级加载，对每级加载试验所得实测数据进行实时分析判断，用以判断桥跨结构在各级荷载下的反应是否正常。同时，在方案设计时查看了桥跨结构的局部受力情况，避免结构出现局部荷载集中引起的桥面板局部应力过大和非结构构件过度变形，防止桥梁出现不正常损坏，影响桥梁的承载能力和正常使用。

2.3.4 试验过程中，安排专人监测主要结构有无异响、晃动、倾覆和扭曲等异常现象。

2.4 试验结果分析

东江南支流港湾大桥（沙田大桥）静载试验各测试桥跨结构整体效应的主要工况中，挠度校验系数在0.89～0.97 之间，挠度相对残余最大值为3.8%，见表1 和图7；应变校验系数在0.44～0.91 之间，应变相对残余最大值为15.6%，见表2 和图8。静载试验工况中，各变形测试项目的实测值与理论值吻合良好，主缆、索塔、钢主梁等主要结构构件均处于弹性应力工作状态，主缆、主桁实测应变增量未出现较大峰值，具有良好的安全储备，结构无异响、晃动、倾覆和扭曲等异常现象。

表1 主梁控制截面竖向位移计算值 单位：mm

表2 主梁控制截面应变计算值 单位：με

图7 工况3 下主梁挠度实测值与理论值

图8 工况4 主梁挠度实测值与理论值

图9 工况1 下主梁应变实测值与理论值图

图10 工况4 主梁应变实测值与理论值

桥梁结构的振动特性参数（振动频率、振型及阻尼比）是大桥动力学性能的决定因素之一，也是结构总体状态的一种表征，采用有限元分析程序对主桥成桥状态的自振特性进行分析，得出结构前五阶固有振动的振型和频率。桥梁结构阻尼可采用波形分析法得到，结构阻尼参数宜采用试验过程中多次所测得结构的平均值，且单次试验的实测数据与平均值的偏差不应超过±20%。多阶自阵信号叠加的波形通常首先分离成单一频率的自阵信号，再按照下面公式（1）计算阻尼参数[4]。

东江南支流港湾大桥（沙田大桥）实测的前五阶振型与理论前五阶振型的振动模型基本一致（见表3），受检桥跨结构的动力特性和动力响应性能正常，表明该大桥实际主梁竖弯刚度与理论计算值吻合良好。实测钢主梁及主塔1 阶振型见图11 和图12。

表3 主桥前5 阶成桥状态的振型及频率

图11 实测钢主梁一阶振型图（频率=0.41Hz）

图12 实测主塔一阶振型图（频率=0.41Hz）

3 结语

本文以东江南支流港湾大桥(沙田大桥）为例，对自锚式悬索桥的成桥荷载试验检测技术进行分析。通过静载试验与振动特性的检测，克服特殊桥型试验检测过程中的各种困难，根据检测数据结果分析可知：东江南支流港湾大桥（沙田大桥）的整体受力满足设计和规范的要求，结构性能能够满足桥梁现场实际工作情况，并且具有足够的安全储备。桥梁在正常使用过程中具有足够的安全性能和舒适性，能够满足在正常荷载作用下的使用要求，并通过此次检测，为以后同类桥梁检测提供技术帮助。