自锚式悬索桥荷载试验分析

刘阳 李凡 张焱

摘 要：【目的】为了准确掌握某自锚式悬索桥结构的运行状况，对该桥进行荷载试验。【方法】通过有限元模拟分析和荷载试验检测相结合的方法，基于静力荷载工况下的应变数据、挠度数据和缆索数据，再结合动载试验下的基频与模态参数，将实测值与理论值进行分析比较。【结果】荷载试验测试结果表明：主桥相对残余应变<20%，挠度校验系数介于0.83～0.99之间，吊索索力和主缆变形校验系数为0.76～0.91，主桥实测前三阶自振频率均大于理论前三阶。【结论】该桥承载能力与刚度满足要求，吊索和主缆变形满足设计要求，总体满足行车要求。

关键词：桥梁检测；荷载试验；自锚式悬索桥；挠度；应变

中图分类号：U446     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0060-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.012

Load Test Analysis of Self-Anchored Suspension Bridge

LIU Yang LI Fan ZHANG Yan

（Zhuhai Traffic Engineering Technology Co.， Ltd.， Zhuhai 519090， China）

Abstract： [Purposes] To accurately grasp the operating status of a self-anchored suspension bridge， dynamic and static load tests are carried out on the bridge. [Methods] Based on the strain data， deflection data， and cable data under static load， combined with the fundamental frequency and modal parameters under dynamic load test， the measured values are compared with the theoretical values by the finite element simulation and load test method. [Findings] The load test results show that the relative residual strain of the main bridge is less than 20%， the deflection calibration coefficient is between 0.83 and 0.99， the cable force and the leading cable deformation calibration coefficient are between 0.76 and 0.91， and the measured first three natural vibration frequencies of the main bridge are more significant than the theoretical first three natural vibration frequencies. [Conclusions] The bearing capacity and stiffness of the bridge can meet the requirements， and the deformation of the sling and main cable can meet the design requirements. In general， the driving requirements are met.

Keywords： bridgedetection; loadtest; self-anchored suspension bridge; deflection; strain

0 引言

自锚式悬索桥具有造价低、造型优美等优点，近年来数量逐渐增加［1］，因此悬索桥安全性的问题研究逐渐提上了日程。桥梁荷载试验是全方位、系统化检查其结构运行状态的主要方式［2］，对在役桥梁和新建桥梁进行荷载试验可以切实掌握桥梁的运行状况［3-4］，从而保障人民的生命财产安全。

本研究以某自锚式悬索桥项目为依托，对其进行荷载试验分析，将实测值与理论值进行对比，评估该桥梁运行状态，为同类型自锚式悬索桥安全检测提供参考［5-6］。

1 工程概况

某大桥主桥为双塔自锚式悬索桥，桥跨布置为（32+40+150+40+32） m，主桥布置如图1所示，桥面为双向4车道。主桥主跨为150 m，桥面板采用钢-混叠合梁，桥宽29.5 m，梁高3.0 m。全桥共设有两根主缆，横桥向的中心间距为28.5 m，相邻吊索索距为5 m。

自锚式悬索桥150 m主梁采用钢混组合梁，32 m+40 m边跨采用预应力混凝土箱梁。钢主梁梁段间施工采用M30的高强度螺栓连接，钢主梁竖曲线通过调整拼接板螺栓孔距形成。

钢混结合段位于主桥150 m主跨主塔中心线2.25 m处。钢-混叠合梁的边主梁伸入箱型截面的锚跨混凝土梁内进行混合连接。伸入混凝土的边主梁顶板内外侧均布置剪力钉，底、腹板内侧布置剪力钉，同时设置PBL键，以加强钢与混凝土的连接。

主缆分跨为35.5 m+150 m+35.5 m，主跨150 m，矢跨比为1/5.3。吊索采用销接式，吊索上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过锚头螺母、球铰与主梁上的锚垫板连接。

目前，该桥处于建造初期，为检验其强度、刚度、抗裂性等性能，以及为桥梁结构技术状况及承载能力评定以及日后养护、维修、加固提供科学依据和支持，有必要对该桥进行荷载试验。

2 控制截面选取与结构计算

2.1 控制截面选取

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233—2015）的相关规定和要求，并结合该桥结构形式与受力特点及试验前调查情况，本次试验选取的控制截面如图2所示，测试项目见表1。

2.2 结构计算

本次荷载试验采用桥梁有限元分析软件Midas-Civil建立该桥的空间梁单元模型，并利用该模型对该桥进行结构计算分析，具体模型如图3所示。

3 加载工况与测点布置

3.1 加载工况

加载车辆采用三轴载重车，车辆形式如图4所示，车辆参数见表2。各控制内力影响线和各工况加载车辆布置如图5所示。

根据《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233—2015）对施工验收荷载试验的要求，荷载试验效率应满足式（1）。

0.85≤ηs≤1.05 （1）

各荷载试验加载工况及加载效率见表3。

3.2 测点布置

挠度测点布置如图6所示。

控制截面应变测点布置如图7所示。其中A-A截面和B-B截面为混凝土箱梁截面；D-D截面和E-E截面为钢梁截面；C-C截面为钢混结合段截面。此处采用振弦式应变计。

吊索索力测点布置如图8所示，吊索索力测试方法采用环境激振法。

4 荷载试验结果分析

4.1 应变结果分析

该桥在3个工况下应变测试结果见表4至表7。

由表4至表7可知，此桥的相对残余应变均小于20%，表明试验中该桥处于弹性工作状态，且桥梁结构强度满足设计要求。

4.2 挠度结果分析

该桥控制截面挠度测试结果见表8、表9。

由表8、表9可知，该桥的挠度校验系数均小于1，介于0.83～0.99之间，证明该桥结构满足刚度要求。

4.3 缆索结果分析

在工况四车辆荷载作用下，吊索索力测试结果见表10。由表10可知，吊索索力校验系数处于0.76～0.91，吊索满足设计要求，均处于弹性工作状态。

5 动力荷载试验

自锚式悬索桥荷载试验动载部分主要测试桥梁的结构自振参数和动力结构响应等两部分，加载分为无障碍行车荷载和有障碍行车荷载。

5.1 动载测点布置

根据该桥理论计算的前三阶模态振型，对桥跨布置18个测点，测点布置如图9所示。行车动力响应测试主要项目为桥梁跨中断面动应变，测试截面选择图2中的E-E截面。

5.2 自振特性测试结果

通过对自然激励响应测得的数据进行模态识别，得到前三阶模态频率和阻尼比，见表11。主梁实测竖向前三阶自振频率为0.79 Hz、1.16 Hz、2.18 Hz，均大于理论前三阶自振频率0.71 Hz、1.04 Hz、1.87 Hz，说明结构动刚度指标良好。

5.3 动力响应测试结果

测试主桥在匀速跑车作用下跨中最大动应变，计算桥梁结构在无行车作用下的动力放大系数，无障碍跑车试验和有障碍跑车试验测试结果见表12和表13。

6 结语

本次自锚式悬索桥静力荷载试验中，主梁控制截面最大校验系数为0.99，吊索索力增量的最大校验系数为0.91，全桥相对残余应变均小于20%，满足《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233—2015）的要求。在动力荷载试验中，主桥实测前三阶自振频率均大于理论前三阶自振频率，证明该桥动刚度指标良好。该桥在试验工况荷载作用下，测试数据符合理论计算规律，表明该桥结构性能良好，满足相关设计要求。

参考文献：

［1］武芳文，罗建飞，郑伟，等.基于稳健回归法的自锚式悬索桥荷载效率系数优化［J］.长安大学学报（自然科学版），2020，40（2）：74-82.

［2］李旭龙.连续刚构桥梁荷载试验检测要点研究［J］.运输经理世界，2021（23）：117-119.

［3］姚佳利，陈克，欧阳稳.钢桁架桥梁荷载试验分析［J］.工程建设与设计，2023（7）：132-136.

［4］梁清清，卢星辅.大跨径悬索桥行车试验分析［J］.中国水运，2023（5）：140-142.

［5］单积明.景区人行玻璃悬索桥荷载试验分析研究［J］.建筑结构，2021，51（14）：51-55，86.

［6］李佳霖.自锚式悬索桥动静力学性能和安全性评估［D］.烟台：鲁东大学，2020.

收稿日期：2023-09-08

作者简介：刘阳（1993—），男，本科，工程师，研究方向：结构检测与研究。