独塔混合梁斜拉桥荷载试验研究

许航，朱传超

（1.中铁城建集团北京工程有限公司，北京 100020；2.长安大学公路学院，西安 710065）

1 引言

斜拉桥造型美观、跨越能力强，是现代桥梁建设中特别受青睐的类型。 作为高次超静定结构的斜拉桥，受力情况十分复杂，其最终成桥状态会因索力的偏差、施工工序以及施工方法的不同而出现差异性变化[1]。为保证投入使用的新建桥梁能够安全运营，受力状态良好，在斜拉桥建成后，对桥梁进行荷载试验是非常重要的[2-3]。

2 工程概况

中华路徒骇河大桥主桥为非对称独塔钢-混组合梁斜拉桥，半漂浮体系，全长244.4 m，跨径布置为151.1 m+91.9 m，主塔为钢结构，主跨为钢-UHPC 薄层轻型组合梁，边跨以混凝土箱梁作为配重，以此提高边跨刚度，桥宽46 m，双向8 车道，设计速度为60 km/h，徒骇河大桥立面图如图1 所示。

图1 徒骇河大桥立面布置图（单位：cm）

3 试验目的及内容

3.1 试验目的

对桥梁进行荷载试验， 以此来采集桥梁的结构性能以及物理力学参数， 并据此进行承载能力状况评定； 通过荷载试验，可建立桥梁初始状况档案，为今后的桥梁检测及加固提供初始对比材料[4]。

3.2 试验内容

1）静载试验：测定试验荷载（与桥梁最不利设计荷载相当）作用下各控制截面测点上的应力变形等[5]。

2）动载试验：测定移动车辆荷载作用下的桥梁振动、冲击等动力效应[6]。

4 荷载试验

4.1 静载试验

4.1.1 静载试验工况

根据现行规范JTG/T J21-01—2015 《公路桥梁荷载试验规程》[7]以及空间有限元模型理论计算，确定静载试验的加载工况如下：

1）主跨L/3 处最大正弯矩工况（中载，偏载）；

2）辅助墩墩顶最大负弯矩工况（中载）；

3）主边跨最大正弯矩工况（中载，偏载）；

4）主塔墩顶最大负弯矩工况（中载）。

4.1.2 测试截面及测点布设

根据有限元计算结果确定测试截面如图1 所示， 其中S1为主跨L/3 处截面，S2 为主塔墩顶截面，S3 为主边跨跨中截面，S4 为辅助墩墩顶截面。

1）主梁应变测点布设：钢箱梁截面S1，共布设18 个测点；混凝土箱梁截面S2～S4，各布设17 个测点。

2）主梁挠度测点布设：挠度测点布设截面S1、S3，每个截面两个测点。

3）主塔偏位测点布设：在两高矮塔的塔顶各布设两个棱镜，以此进行塔顶偏位监测。

4）拉索索力测点布设：选择主跨第10～12 对拉索进行索力增量监测。

4.1.3 加载方式

实际加载车辆的选择参考JTG/T J21-01—2015 《公路桥梁荷载试验规程》中建议的静力试验荷载效率，并考虑主要控制截面的变形值和设计弯矩值。 本次荷载试验使用加载车工13 辆，每辆总重为40 t，轴重分配为8 t、16 t、16 t。 加载车辆使用前均逐一承重、编号，单车总重误差超过±1 t。 本次荷载试验所用车型如图2 所示。

图2 加载车型图（单位：cm）

4.1.4 测试结果

1） 主梁控制截面应变平均校验系数区间为0.74～0.81，且实测值小于计算值，主梁控制断面强度满足设计要求。

2） 主梁控制截面竖向挠度平均校验系数区间为0.80～0.95，且实测值均小于或接近计算值，主梁各测试断面竖向刚度满足设计要求。

3）实测的塔顶纵向偏位校验系数为0.83、0.76，且小于计算值，桥塔刚度满足设计要求。

4）实测的拉索索力增量平均校验系数为0.88、0.91，且小于计算值，拉索工作性能满足设计要求。

5）实测的相对残余应变均小于20%，满足规范限值要求，主梁在试验过程中处于较好的弹性工作状态。

4.2 动载试验

本次动载试验包括脉动试验和跑车试验， 测试内容为振型、自振频率、冲击系数、阻尼比等动力特性参数。

4.2.1 脉动试验

采用脉动法进行自振测试，无须加载车跑车，采用无线模态测试系统采集模块布置在桥面测点， 在电脑中进行数据储存，并利用特定程序实现即时显示并进行信号回放处理，在频域和时域中进行谱分析和时程分析。

测试人员清理桥面异物后，通过卷尺、粉笔等工具进行测点位置标记，将无线模态分析系统采集模块分批布置在桥面参考点和各测点，无须跑车而只通过环境激振，多次调试设备确认无误后进行正式试验。 试验分批次对不同测点进行测试，得到频谱分析图，数据处理后得到竖向前3 阶自振频率，并与理论计算做对比，得到校验系数及阻尼比，详细结果如表1 所示。

表1 脉动试验测试结果表

4.2.2 跑车试验

不同数量、速度的车辆在桥面上跑车时，将在结构上产生应变，用相应的测试仪器采集控制断面的动应变，以此可计算出桥跨结构的冲击系数。 动力荷载对桥梁结构的动力作用可由活载冲击系数综合反映。

主桥进行动载跑车试验测试动应变时， 根据加载车辆数及车速确定8 个工况，具体如表2 所示。

表2 主桥动载试验工况表

在钢箱梁L/3 截面（L为桥跨长）处进行动应变采集，各个工况下最大动应变区间为70.81～86.31 με，实测冲击系数区间为0.07～0.28。 冲击系数计算结果如表3 所示。

表3 各工况冲击系数计算结果表

按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[8]第4.3.2条规定：当结构基频小于1.5 Hz 时，规范冲击系数取0.05。 徒骇河大桥实测冲击系数均值为0.18， 略大于理论计算值的0.05，但远低于1.3，故本桥行车条件良好。

4.2.3 测试结果

1）中华路徒骇河大桥主桥各阶振型的实测频率均大于相应的理论计算值，故本桥的整体刚度较大，刚度指标良好，满足设计要求。

2）主桥实测阻尼处于环境脉动激励试验的正常区间，结构竖向振动衰减正常，桥梁结构技术状况良好。

3）主桥实测冲击系数均略大于按照规范计算的理论冲击系数，但跑车时所测的动力放大系数均在规范推荐范围之内，并无较大的冲击现象发生，故行车条件良好。

5 结论

本次荷载试验结果表明，中华路徒骇河大桥目前总体受力特征与理论计算基本相符，所测控制截面变形、应变实测值小于或接近理论计算值，满足JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》中的相关要求，结构的静力、动力各项指标良好。

综上所述，中华路徒骇河大桥主桥结构状态良好，其整体刚度及承载能力均满足设计规范对于城-A 级荷载等级的要求。