大跨度双塔扇形索面斜拉桥荷载试验研究

摘要：对于新建大跨度桥梁，在投入使用前应进行技术状况检测，以保证桥梁的安全运营，并且为工程验收提供可靠的数据支撑，为此，文章采用Midas Civil软件建立某大跨度双塔扇形索面斜拉桥主桥模型，进行静载、动载试验研究，评价该桥的结构安全性，为桥梁竣工验收及运营的安全性提供技术依据，为同类桥梁技术检测提供参考。

关键词：大跨度斜拉桥；双塔扇形索面；荷载试验；索力测试；校验系数

中图分类号：U441+.2

0 引言

随着我国桥梁建设的发展，跨越江河、峡谷的长大桥梁应用广泛，斜拉桥具有跨越能力大、造型美观等特点，是跨越宽阔水域和深沟峡谷的主要桥型之一［1］。但是，新建长大桥梁在投入使用前应进行技术状况检测，以保证其安全运营，并且为工程验收提供可靠的数据支撑。荷载试验是常用的桥梁检测方法［2］，通过试验用加载车进行静力、动力试验，对桥梁的结构刚度、强度等性能进行评价，为桥梁后期的安全运营与维护保养提供可靠依据［3-6］。赵文国等［7］通过荷载试验，对某跨线桥的实际承载力状态做出评定。龙佩恒等［8］通过静载、动载试验，结合有限元优化加载工况，得到了大跨度中承式钢管混凝土拱桥的运营工作性能评价结果。可见，通过荷载试验是掌握桥梁结构性能的重要方法。由于大跨度双塔扇形索面斜拉桥的研究较少，其安全运营需要结构的刚度、强度、动力性能满足要求。本文针对某大跨度双塔扇形索面斜拉桥进行静载、动载试验研究，评价该桥的结构安全性。

1 桥梁概况

北海市西村港跨海大桥分为西引桥、跨航道主桥、东引桥。其中西引桥总长720 m，主桥455.8 m，东引桥600 m，桥梁总长1 775.8 m。主桥为双塔双索面斜拉桥，主桥跨径布置为［38.9 m+70 m+238 m（主跨）+70 m+38.9 m］=455.8 m，桥面宽度37 m。主塔采用C50混凝土桥塔，主梁为钢混叠合梁，采用Q345q钢材。斜拉索为双索面，采用扇形索面布置，主跨20对索，边跨10对索，全桥共80根拉索，采用1860钢绞线。桥面板采用C55混凝土，桥墩立柱和盖梁采用C45混凝土，承台、系梁、桥台台帽、台身桩基采用C40混凝土，桩基采用C35混凝土。

主桥功能横断面布置为2.0 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+0.5 m（机非分隔带）+11.5 m（机动车道）+2 m（中央分隔带）+11.5 m（机动车道）+0.5 m（机非分隔带）+3.5 m（非机动车道）+2.0 m（人行道）=37 m。道路等级为城市主干路；设计行车速度60 km/h；荷载标准为城-A级，人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJ J11-2011）取值。主桥立面布置以及横断面如图1、图2。

2 模型的建立

根据桥梁的结构形式，采用Midas Civil软件建立主桥模型。斜拉索采用桁架单元模拟，桥面板采用板单元模拟，桩基、桥墩、主梁、桥塔均采用梁单元模拟。混凝土的抗压弹性模量按规范标准取值，容重25.0 kN/m。钢材的弹性模量为2.06×105 MPa，容重78.5 kN/m2。主桥斜拉索Strand1860弹性模量E=1.95×105 MPa，容重78.5 kN/m3。全桥共节点1 645个，梁单元2 042个，桁架单元80个，板单元80个。桩基底部固结约束，桩基与承台、承台与桥墩采用刚性连接，主梁与桥墩支座采用弹性连接并交替释放纵向和横向刚度，主梁两端采用简支约束。整体有限元模型如图3所示。

3 试验方案

3.1 测试截面及测点布置

通过对桥梁结构的恒载和活载内力计算，确定桥梁结构的内力包络图，见图4，并参考《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJ J/T233-2015）选定控制截面，主要截面测试项目为各级荷载下的控制测点应变、各级荷载下的控制测点挠度、各级荷载下的塔顶纵向位移、裂缝发展状况，测试截面测点布置见图5。

3.2 荷载工况

试验采用多辆三轴载重汽车加载。根据测试截面的主要受力特点和理论计算，对不同工况下的加载位置进行设计，得到加载工况及加载效率如表1所示。可以看出，采用12辆加载车通过优化布置，可以使得各工况的加载效率达到0.85～0.94，满足验收工程的加载效率0.85～1.05的要求。本次试验共分为7个加载工况，分别为各小跨中最大正弯矩及桥墩、塔身最大负弯矩。

4 试验结果分析

4.1 静载试验

通过多辆试验用车的优化布置，对测试截面的最不利结构内力进行试验，使加载达到设计荷载产生的最不利内力效应值。本次加载分为三级，每级加载四辆加载车。由于温度对测试的影响比较复杂，在加载试验前，对测点进行≥15 min的温度稳定观测，选择温度变化相对较小的时间段进行试验，并建立温度变化和测点测值变化的线性关系进行修正。通过数据采集，可以得到各加载工况下，测试截面的应变和挠度等数据，判断结构是否满足规范要求。限于篇幅，本文仅列出工况1的加载测试结果。

工况1第三级加载下，各测点的应变理论及实测值对比，如图6所示。可以看出，12个测点的应变理论值均大于实测值，但偏差不大，整体校验系数在0.68～0.83之间，相对残余应变在0～19%之间，4号测点与10号测点由于位于主梁的上部，因此应变为负值表示受压。卸载后存在部分残余变形，最大值（5 με）位于6号、9号、12号测点。

工况1挠度测试结果如图7所示，其中测点2为桥面中心，测点1、3布置在外侧人行步道边缘。可以看出，桥面中心的挠度较两侧大。理论计算值大于实测值，表明结构的实际刚度要大于理论设计刚度。2号测点的残余挠度几乎为零（0.06 mm），1号、3号测点的残余挠度分别为0.57 mm、0.41 mm。各测点的校验系数在0.69～0.85，相对残余位移在1%～18%，满足规范要求。此外，各静载试验工况加载至满载的过程中，桥梁未发现明显异常响声或异常变形情况，控制截面附近未发现明显可见裂缝。

4.2 动载试验

动载试验主要通过测试桥梁结构的动力性能，分为模态振型以及冲击性能。模态振型采用脉动试验，冲击性能采用跑车试验。脉动试验主要通过风荷载及地脉动等随机激励引起的结构微小振动，通过采集结构的振动时域信号，通过傅里叶分析得到结构的模态数据。本次脉动试验，根据阵型特点，在边跨桥面四等分处、主跨桥面八等分处布置测点。用DH5907N无线桥梁模态采集器测得这些测点处的振动速度时域信号，再用模态专用分析设备进一步求得桥梁的自振频率。为保证频率分辨率和提高信噪比，本次试验采集的长样本信号时间≥30 min。

频谱分析结果及结构的实测与理论模态对比结果如图8所示。可以看出，实测的结构5阶频率与结构的理论振型频率偏差不大，各阶频率偏差在1.45%～17.01%，最大值在第四阶模态（17.01%），各阶振型形式实测与理论对应。实测阻尼比在0.025～0.069，1阶振型阻尼比为0.065，第2阶振型阻尼比最小，仅为0.025。各阶振型实测值均大于理论值但比较接近，表明结构实际刚度较理论刚度偏大，结构整体刚度性能良好。

跑车试验主要测试不同行车速度下梁体的竖向受迫振动响应，采集动挠度信号或动应变信号，进而得出桥梁的冲击系数。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），当flt;1.5 Hz时，理论冲击系数μ=0.05。本次跑车试验中，测点布设在主跨跨中截面处，在两侧钢箱梁底靠内侧处各布设一个无线表面式应变计测点。采用一辆350 kN重的车辆进行跑车，跑车速度取40 km/h、50 km/h、60 km/h，采用DH1205W无线表面式应变计（控制器）采集测点的动态应变时程曲线，进而分析桥梁的冲击系数。每个车速工况进行2～3次重复试验，冲击系数取对应车速下的最大值。跑车试验跨中截面动态应变时程曲线，如图9所示。可以看出，桥梁结构实测冲击系数的最大值为0.04，小于理论计算值0.05，说明桥梁在正常工作状态下的动力性能良好。

4.3 索力测试

斜拉索是斜拉桥的主要传力构件，索力的损伤将严重影响斜拉桥的工作性能，因此对斜拉桥的索力测试是必不可少的。该桥斜拉索的编号为“20-L-BC10”，20—墩塔号，L—左幅，B—边跨，Z—中跨，C—拉索。斜拉索布置图如图10所示，图中仅示出西岸一侧的拉索，东岸一侧拉索对称布置，全桥共80根拉索。

索力测试采用随机环境激励的测试方法、采集索在环境激励下的振动信号。采用自谱分析方法，获取前5～10阶自振频率。按随机信号处理的规定，合理选取分析数据长度、分析带宽、谱线数、重叠率、窗函数及谱平均次数等分析参数，以减少分析误差，并具有≤0.01 Hz的频率分辨率，其中索力计算按式（1）计算：

式中：T——斜拉索索力；

fn——索的第n阶自振频率；

L——索的计算长度；

n——自振频率阶数；

EI——索的抗弯刚度；

ρ——索的线密度。

本次抽取部分典型拉索进行成桥恒载索力测试，根据斜拉索的规格、参数及现场测试的各阶自振频率，通过索力计算软件计算可得出各拉索的索力。索力测试结果如图11所示，可以看出，所测索力与设计值比较接近，偏差率最大值仅为-4.8%，在±5.0%以内，满足规范《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）的要求，斜拉索的工作性能良好。

5 结语

对于新建长大桥梁，在投入使用前应进行技术状况检测，以保证桥梁的安全运营，并且为工程验收提供可靠的数据支撑。本文针对某大跨度双塔扇形索面斜拉桥进行荷载试验研究，得出以下结论：

（1）静载试验中，各测点的校验系数在0.69～0.85，相对残余位移在1%～18%，满足规范要求，且未发现有异常响声或异常变形，控制截面附近未发现明显可见裂缝。

（2）实测的结构5阶频率与结构的理论振型频率偏差不大，各阶频率偏差在1.45%～17.01%。这表明结构的实际刚度较理论刚度偏大，结构整体刚度性能良好。

（3）所测索力与设计值比较接近，偏差率的最大值仅为-4.8%，在±5.0%以内，满足规范要求，斜拉索的工作性能良好。

参考文献

［1］王 盛，陶天友，王 浩.大跨度斜拉桥伸缩缝温致位移提取方法对比［J］.东南大学学报（自然科学版），2023，53（4）：664-671.

［2］王君伟.公路桥梁荷载试验检测在桥梁养护中的作用和对策［J］.交通世界，2020（24）：97-98.

［3］欧阳龙，何晓鸣，黄文娟.钢筋混凝土双曲拱桥静载试验研究［J］.武汉工业学院学报，2013（2）：102-105.

［4］谭 明.基于静载试验的空腹式双曲拱桥承载能力研究［J］.工程与试验，2016，56（1）：41-43.

［5］李兴顺，杨玉军.钢筋混凝土双曲拱桥的静载试验分析［J］.四川建筑科学研究，2013，39（3）：59-60，99.

［6］勾红叶，蒲黔辉，王君明.某双曲拱桥的静力荷载试验与分析［J］.中外公路，2007，27（3）：92-94.

［7］赵文国，苗艳文，杨梅枝.桥梁静动载试验检测方法及实例分析［J］.科技创新与应用，2023，13（20）：79-82.

［8］龙佩恒，黎家玮，李金涛.大跨度中承式钢管混凝土拱桥荷载试验研究及其结构性能评价［J］.市政技术，2023，41（8）：189-197.

收稿日期：2024-03-16

基金项目：广西科技计划项目“建筑桩基基础承载力新型检测设备研发与产业化”（编号：AB19245018）

作者简介：刘远凯（1996—），助理工程师，主要从事桥梁、建筑检测工作。