双塔斜拉大桥桥梁载荷试验与分析

姜龙飞，武林林

(1.云南建设基础设施投资股份有限公司 昆明市 650217；

2.中路高科交通检测检验认证有限公司 成都市 610000)

针对桥梁结构设计特点确定试验断面、开展现场静载试验，在特定位置施加静荷载，观测其位移、应变、裂缝等参数，依据相关技术标准所规定的指标，判断荷载作用下桥梁结构的使用性能，是直接而又准确的判断手段[1-2]。通过试验可掌握桥跨结构的静力特性，判断其能否继续安全正常运营，为桥梁养护档案管理工作的电子化、数据化和桥梁信息管理系统提供可靠的基础资料[3-4]。

JN大桥工程为市政道路，设计等级为城市主干路，采用双向6车道，设计时速为60km/h。工程分为三个部分，西引道、JN大桥主桥、南引桥，道路总长约2050m，属特大型桥梁，主桥采用双塔斜拉桥型，桥梁标准宽度为31.5m，参见图1。

图1 JN大桥主桥示意及纵断面测点布置图(单位：mm)

桥梁主桥长为599.6m，桥跨组合为75m+75m+300m+75m+75m；
采用对称布置双塔、双面密索斜拉，主梁为倒梯形断面预应力混凝土梁，塔梁采用漂浮分离体系结构。桥梁的约束体系兼顾其静力受力和动力分析情况，台墩设置竖向拉应力支座。针对桥梁位置特点，兼顾了适用、耐久和美观。

(1)在试验静荷载作用条件下，量测桥梁结构挠度和控制断面应力应变实测值。

(2)建立桥梁计算模型，获取静力状况下试验断面的应力应变计算值，比较分析其与实测值符合性。

(3)量测桥梁结构总体自振特性，获取自振频率并评价。

(4)在动荷载作用条件下，量测桥梁动力响应特性并评定其动力性能。

(5)为交工验收提供重要的技术数据，并作为大桥的初始信息档案。

试验测试断面应布设于静力荷载作用下最不利断面，获得桥梁各断面的应力应变和扰度。试验针对该桥结构特点，依照规范，确定相应的测试内容和工况见表1。

表1 主桥主要测试内容

4.1 断面测点布置

4.1.1主梁挠度及变位测试断面及测点布设(图2)

(1)主梁挠度测点布置设在中跨L/2、L/4、3L/4以及边跨、次边跨L/2附近断面。

(2)主梁最大纵向位移测点设置在Z0#墩处梁端。

(3)塔顶最不利荷载作用变位测点布置在Z2#塔顶处。

此外，在中跨L/2断面最大挠度工况测试时，增加该工况下的全桥挠度曲线测量。

图2 主桥挠度与变位断面测点布置图(单位：cm)

4.1.2应变及索力增量测试断面及测点布设

(1)箱梁应变测点布设在中跨L/2、中跨L/4、中跨3L/4、次边跨L/2、边跨L/2附近断面、主梁Z1#墩顶断面。

(2)桥塔最不利荷载作用下应变测点断面布置在Z2#塔上塔柱与中塔柱分肢处。

(3)斜拉索力增量选取Z2#塔0#索和N24#索位置。

4.2 工况选取

根据招标文件要求并结合以往类似桥梁的加载方案经验，主桥各主要试验工况见表2所示，主要工况的载位见图2所示。

4.3 加载效率与载位确定

4.3.1计算参数选取

设计荷载汽车荷载城—A级；
人群荷载2.4kN/m2；
计算车道为双向6车道；
横向折减系数为6×0.55(6车道折减)=3.3；
纵向折减系数为0.97；
主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土；
斜拉索采用Φs14.2高强低松弛镀锌钢绞线，标准强度1860MPa。

4.3.2计算模型

本次试验加载方案的确定，采用Midas Civil结构分析软件计算，其中主梁、主塔离散为梁单元，斜拉索离散为桁架单元。

4.3.3试验荷载确定

(1)试验用加载车总重为300kN，后轴重110kN，前轴重80kN。

(2)试验等效荷载采用总重为300kN的三轴载重汽车加载方式，模拟设计活载形成桥梁内力。

(3)对于各断面测试项目，所需加载车的数量，应视设计标准活荷载等效换算而确定。

(4)参照《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/TJ21-01—2015)的第4.4.2条规定，桥梁静载试验效率ηq按下式计算获得，其值宜为0.85～1.05之间。

表2 主桥静力荷载试验加载工况

式中：Ss为静载试验断面内力或位移的最大设计效应值；
S为静载控制断面内力或位移的最不理效应计算值；
μ为冲击系数值，应依照规范规定取值。

4.3.4试验载位布置与荷载效率

参考相关技术标准并结合既往经验，采用有限元法建模，计算本桥试验载位和荷载试验加载效率，得知本桥的加载效率为0.85～1.05之间。

4.4 测试方法

(1)挠度：主桥主梁挠度测量在测试断面处布置测点，采用电子水准仪及3m铟钢条形码水准标尺按二等水准施测。主桥挠度曲线测量沿中跨纵桥向八等分点、边跨二等分布置测点。

(2)应变：混凝土结构静态应变，采用阻值为120Ω的应变片，标距按3×100mm黏贴，数据采集分析仪量测数据。

(3)主梁梁端纵向位移:采用在墩顶伸缩缝位置处设置标记，在试验过程中采用测距设备直接测读标记位移。

(4)桥塔纵横偏位:本次测量采用高精度机器人型全站仪对主桥塔顶和塔身三维坐标测量。

(5)索力增量:采用基于频率法的索力动测仪测试。

4.5 试验结果

4.5.1主桥挠度测试结果

在各工况满载作用情形下，主桥控制断面挠度的实测校验系数介于0.69～0.90之间，挠度实测值均小于计算值，说明主桥钢箱梁控制断面竖向刚度满足设计要求；
各断面卸载后相对残余变形为4.0%～9.2%，说明试验过程中主桥控制断面为良好的弹性工作状态。结果参见表3。

表3 各工况满载作用下主桥挠度测试结果(节选)

典型工况6-1(中跨L/2最大挠度)试验荷载(对称布载)作用下，主桥左、右两侧挠度变化曲线如图3所示。由图可知，主要试验工况加载挠度曲线基本平顺，实测变形规律基本符合结构受力特征。

图3 工况6-1作用下主桥左右侧测线挠曲变形图

4.5.2控制断面应变测试结果(节选)

(1)工况1-1(边跨最大正弯矩对称加载)：满载作用下主桥边跨最大正弯矩断面各测点应变实测校验系数为0.60～0.89，实测值均小于计算值。表明该控制断面强度满足设计要求；
卸载后，测试断面测点的最大相对残余应变为14.71%，表明试验过程中该断面处于弹性工作状态。

(2)工况2-1(次边跨最大正弯矩对称加载)：满载作用下，主桥次边跨跨中断面各测点应变实测校验系数为0.61～0.90，实测值均小于计算值，说明断面强度满足设计要求；
卸载后最大相对残余应变为14.0%，表明试验过程中断面处于弹性工作状态。

(3)工况3-1(主梁内支点最大负弯矩对称加载)：满载作用下，主桥Z1#墩处梁体内支点断面各测点实测应变校验系数为0.62～0.87，实测值均小于计算值，说明该断面强度满足设计要求；
卸载后最大相对残余应变为13.33%，表明试验过程断面处于弹性工作状态。

4.5.3主桥塔顶纵向最大水平位移

满载作用下，3#桥塔实测最大偏位值为42.1mm，校验系数为0.63～0.79，实测值小于计算值，表明桥塔的纵向刚度满足设计要求。

4.5.4主桥梁端纵向漂移测试结果

满载作用下，主桥梁端纵向偏移值为12.5mm、13.1mm，校验系数为0.42～0.44，实测值均小于计算值，说明钢箱梁纵向工作性能满足设计要求。

4.5.5索力增量测试结果

满载作用下，实测斜拉索索力增量校验系数为0.71～0.79，实测值小于计算值，表明斜拉索工作性能满足设计要求。

(1)全桥主塔、斜拉索、主梁、支座及伸缩缝表观状况总体良好，未发现显见性结构性缺损。

(2)实测主桥静载试验应变及挠度测试项目荷载效率为0.85～1.05，满足规范要求，试验荷载效应可反映设计规范基本可变荷载效应的特征。

(3)主梁控制断面竖向挠度校验系数为0.67～0.90，实测值均小于计算值，表明主梁各测试断面竖向刚度能够满足设计要求；
实测的相对残余变形均小于20%，满足规范限值要求，表明主桥主梁在试验过程中处于较好的弹性工作状态。

(4)塔顶纵向偏位校验系数为0.63～0.79，实测值小于计算值，表明主桥桥塔刚度满足设计要求。

(5)实测的斜拉索索力增量校验系数为0.71～0.79，实测值小于计算值，表明主桥斜拉索工作性能满足设计要求。

(6)试验过程中结构处于正常的工作状态，未见异常情况；
试验后未发现新增结构性损伤。

试验结果表明，目前JN大桥主桥结构总体受力特征与理论计算基本一致，各控制断面变形、应变实测值均小于计算值，满足《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)的相应要求，桥梁结构静载试验各项指标均为良好。

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