四川济通工程试验检测有限公司，四川、成都
摘要：通过迈达斯Civil对桥梁建立有限元模型进行分析，对斜拉桥最不利截面采用等效荷载进行施加作用，测量结构挠度及应变的反应情况，测量结果同理论计算值进行比较分析，确保荷载试验安全、有序的进行。最后判断桥梁结构的实际承载力能否满足设计荷载要求。
关键词：双塔斜拉桥；荷载试验；有限元模型；试验方案。
引言
桥梁荷载试验是检测桥梁承载能力最直接、有效的一种方式，可以对桥梁结构性能及承载能力进行科学有效的进行评估，并对桥梁的后期养护及健康监测等提供基础资料。因此，在桥梁投入运营前，对桥梁进行荷载试验是必要的，特别是特殊桥梁结构形式（如斜拉桥、悬索桥等）。桥梁荷载试验检测的首要任务就是制定精确、高效、完善、安全的试验方案，从而评价桥梁的使用性能和承载能力。根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015），判断桥梁结构的正常使用状态和承载能力是否满足设计要求。斜拉桥具有梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力较大；受桥下净空和桥面标高的限制少等优点。
该桥主要为简支梁和斜拉桥结构，桥跨组合为：(116+288+116)m(斜拉桥）+26
25m(小箱梁）+21 40m(T梁），全桥长2020m。
主桥采用双塔单索面，墩、塔、梁固结的预应力混凝土斜拉桥，主梁采用近似三角形单箱三室断面：顶板全宽30m，底宽4m，悬臂长3.75m，梁高3.6m。中腹板厚0.4m，边腹板厚0.26m，边箱顶板0.27m，底板厚0.3m，中箱顶板厚0.4m，底板厚0.3m。
索塔采用独柱式，索塔全高70m，为单箱混凝土断面，每侧的单根斜拉索直接锚固于塔壁中心处。斜拉索为PES(FD)7-109~PES(FD)7-199 规格的双层HDPE防护低应力半平行热锁锌索，梁上纵向索距采用3m、4m、6m，横向2m；塔上竖向标准索距为1.6m，横向0.7m。
主墩采用双薄壁墩，基础为承台群桩基础，设14根桩基，桩基直径2.5m，承台下共设10根桩基，桩基直径1.5m；辅助墩采用矩形截面，断面尺寸为200cm（纵桥向）×1000cm(横桥向)，基础为承台配6根D150cm桩基础，其中1号墩高度较矮，墩身断面采用实心截面，4#墩采用薄壁空心墩，壁厚50cm。
主桥采用盆式橡胶支座，边跨梁端采用GPZ(Ⅱ)6.0DX(横桥向)、GPZ(Ⅱ)6.0SX(横桥向)；辅助墩上采用2个GPZ(Ⅱ)8.0SX（±200）。
主桥伸缩缝：采用伸缩量为MSKF-320mm的伸缩缝。
主要技术指标：
（1）设计洪水频率：特大桥：1/300；其余大、中、小桥及涵洞：1/100。
（2）通航净空：18m（III级航道）。
（3）线形标准：与路线平纵面线形一致。
（4）地震烈度：某本烈度为VII度，按VIII度设防。
（5）设计荷载：公路-I级。
图1-1 斜拉桥主桥立面图
图1-2 斜拉桥主桥剖面图
采用MADAS Civil 有限元分析软件建立主桥模型，依据设计文件确定材料特性、边界条件等，进行恒载计算及活载分析。
图2-1 斜拉桥有限元模型图
斜拉桥振型测量前九阶，根据振型特点布置振型测点，边跨安装4分点进行布置，中跨按照8分点进行布置，测量桥梁结构纵向、横向及竖向振动。
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图 2-2 1阶振型及频率 | 图 2-3 2阶振型及频率 |
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图 2-4 3阶振型及频率 | 图 2-5 4阶振型及频率 |
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图 2-6 5阶振型及频率 | 图 2-7 6阶振型及频率 |
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图 2-8 7阶振型及频率 | 图 2-9 8阶振型及频率 |
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图 2-10 9阶振型及频率 | |
按照最不利原则进行荷载试验，根据斜拉桥内力包络图（图2-11）确定本桥荷载试验控制截面，试验控制截面见图2-12所示。
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图 2-11 车道荷载弯矩包络图（kN·m） |
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图 2-12 试验控制截面 |
按控制截面内力（弯矩）等效原则进行布载，并使控制截面的试验荷载效率满足检测规程的要求。加载车辆规格以及数量根据结构分析以及荷载等效计算结果确定。进行正式试验前，对所有加载车辆均进行过磅称重，根据加载车辆的实际称重结果对车辆进行编组，确定各加载工况车辆的加载位置，以保证试验荷载效率在合理的范围之内。本次所需加载车主要参数如图3-1和表3-1所示。
图 3-1 试验车辆轴距示意图
序号 | 前中轴距L1（m） | 中后轴距L2（m） | 轮距B（m） | 前轴重（KN） | 中后轴重（KN） | 总重（KN） |
1#~18# | 3.8 | 1.35 | 1.8 | 70 | 280 | 350 |
根据规范要求，新建桥梁荷载试验加载效率宜介于0-85~1.05之间，无障碍行车加载效率不应超过1，采用影响线进行确定加载位置。本桥各控制截面加载效率如表3-2所示，其中E-E截面为墩顶位移测量截面，该工况与F-F截面进行合并加载。
表 3-1 各截面内力及加载效率
控制截面 | 加载车辆 | 控制内力值（kN·m） | 试验内力（kN·m） | 效率系数 |
A-A截面 | 6台35t | 17655.9 | 18059.3 | 1.02 |
B/C-B/C截面 | 18台35t | 30694.0 | 31522.1 | 1.03 |
D-D截面 | 18台35t | -26327.0 | -26235.3 | 0.99 |
F-F截面 | 18台35t | 24812.4 | 22244.8 | 0.90 |
通过上表可知，静载加载效率值在0.90~1.03，满足规范要求，按此方案进行加载，各截面应变及挠度见表3-2。
表 3-2 各截面应变及挠度理论计算值
控制截面 | 加载车辆 | 最大应变（με） | 挠度值及位移（mm） |
A-A截面 | 6台35t | 40 | / |
B/C-B/C截面 | 18台35t | 69 | 102.3 |
D-D截面 | 18台35t | -72 | 73.0 |
E-E/F-F截面 | 18台35t | 28 | 29.9 |
1）应变测点布置
本次试验应变测试截面如图3-1~图3-2所示，应变测试方式采用在混凝土表面粘贴应变片，采用DH3819静态信号测试分析系统进行测量。
图 3-1 主梁静载试验控制截面应变测点布置图（单位：cm）
图 3-2 主塔静载试验控制截面应变测点布置图（单位：cm）
2）挠度测点布置
挠度观测点横向沿桥面左、右侧位置布置，其中支点位置的测点为沉降观测点，第2跨挠度采用精密水准仪进行测量，第3跨挠度采用全站仪进行测量。测点布置如图3-3~图3-4所示。
图 3-3 第2跨主梁控制截面挠度测点平面布置图（单位：cm）
图 3-4 第3跨主梁控制截面挠度测点平面布置图（单位：cm）
各试验控制截面车辆布置如图3-5~图3-9所示。
图 3-5 工况1（A-A截面）正载三级加载布置图（单位：cm）
图 3-6 工况2/3（B/C-B/C截面）正载五级加载布置图（单位：m）
图 3-7 工况4(D-D截面)五级加载布置图（单位：cm）
图 3-8 工况5/6（E-E截面）五级加载布置图（单位：m）
图 3-9 工况7（F-F截面）加载布置图（单位：m）
1）试验结果
在正式加载试验之前，采用2台车对试验跨进行预加载，预加载持续约20分钟。预加载卸载后，结构恢复完成后才进行正式加载，采集初始数据，严格按照分级加载原则进行加载，读取每级应变及变形数据，并与理论计算值进行比较，确保桥梁结构的安全。各控制截面试验结果见表4-1~表4-2所示。
表 4-1 各截面应变试验结果
试验截面 | 初始应变（με） | 满载应变（με） | 卸载应变（με） | 最大理论值（με） | 相对残余应变（%） | 校验系数 |
A-A截面 | 0 | 25 | 1 | 40 | 4.00 | 0.60 |
B/C-B/C截面 | 0 | 34 | 1 | 62 | 2.94 | 0.53 |
D-D截面 | 0 | -41 | -2 | -66 | 4.88 | 0.59 |
F-F截面 | 0 | 21 | 2 | 28 | 9.52 | 0.68 |
表 4-2 各截面挠度/变形试验结果
试验截面 | 弹性变形（mm） | 理论变形（mm） | 残余变形（mm） | 相对残余挠度（%） | 校验系数 |
A-A截面 | -4.06 | -6.49 | -0.11 | 3.13 | 0.63 |
B/C-B/C截面 | -90.8 | -102.26 | -0.7 | 0.77 | 0.89 |
D-D截面 | -70.2 | -73.04 | -1.1 | 1.54 | 0.96 |
F-F截面 | -89.9 | -96.1 | -1.2 | 1.04 | 0.94 |
E-E截面 | 26.4 | 29.9 | 0.5 | 1.86 | 0.88 |
在试验荷载作用下，斜拉桥的应变效验系数在0.53~0.68之间，挠度效应系数在0.63~0.96之间，卸载后整体应变及挠度恢复正常；相对残余应变最大为9.52%，相对残余挠度最大为3.13%；均小于20%。表明桥梁结构处于弹性工作范围，且桥梁的整体工作性能良好。
1）按照设计文件进行建模计算，根据内力包络图按照最不利原则确定试验控制截面，并按照规范要求进行测点布置。
2）根据影响线以及加载效率确定各控制截面的车辆数量及布载方式，使加载效率满足规范要求。
通过现场静力荷载试验，斜拉桥的应变效验系数在0.53~0.68之间，挠度效应系数在0.63~0.96之间，卸载后整体应变及挠度恢复正常；相对残余应变最大为9.52%，相对残余挠度最大为3.13%；均小于20%。表明桥梁结构处于弹性工作范围，符合要求，因此本次试验方案较为合理。
参考文献：
(1)《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）
(2)范文斌，基于桥梁荷载试验的桥梁整体安全性研究，中南大学，2008
(3)秦小平，基于荷载试验的大跨度斜拉桥动力特性分析，重庆交通大学，2014
(4)贺顺荣，大跨度斜拉桥荷载试验研究，西南交通大学，2006
(5)胡银鹏，大跨径混凝土斜拉桥成桥荷载试验与极限承载能力分析，合肥工业大学，2020
(6)门广鑫，斜拉桥静动载试验方案设计，城市建设理论研究，2019
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