宋 波,王 華,張旭輝,彭建新

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550000；3.湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105；4.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114)

隨著山區(qū)公路交通的迅速發(fā)展，世界級橋梁在數(shù)量上急劇增加，相應檢測技術也提出了很高的要求[1-3]。隨著新版《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》JTG/T J21-01-2015的發(fā)布，公路橋梁荷載試驗檢測有了較明確的規(guī)程條文；但是，山區(qū)超寬混凝土斜拉橋的荷載試驗檢測相關的計算工作等技術要求，跟常規(guī)橋梁有不太一致的地方，由于超大跨徑，相應主梁撓度、索塔偏位等參數(shù)數(shù)據(jù)比較大，此時計算方法應按照橋梁實際狀態(tài)根據(jù)規(guī)范的原則來做適當調(diào)整[4-7]，在滿足檢測目的的基礎上保證結構的安全運營及使用性能。

1 橋梁概況

楠木渡烏江特大橋是蘭海高速貴州境遵義至貴陽段擴容工程上的一座特大橋梁，由北往南橫跨烏江。橋梁全長958 m，主橋中心樁號為K38+920。主橋橋面寬37.6 m，引橋橋面寬33.5 m。橋跨布置為：2×40+(40+110+320+110+40)+(40+42+42)+3×42 m。其中主橋采用(40+110+320+110+40)m雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，主梁采用C55預應力混凝土主梁，雙邊箱斷面，主梁中心高3.2 m，頂板寬37.6 m(含封嘴)，橋面設2%的雙向橫坡。邊箱箱底板寬4.0 m，三角部分寬6.8 m，主梁標準段長度為6.0 m，標準段頂板厚0.3 m，底板厚0.4 m，腹板厚0.5 m，三角部分斜底板厚0.3 m。

2 靜載試驗

2.1 試驗內(nèi)容

通過測定橋跨結構在試驗荷載作用下的控制截面應力和撓度，并與理論計算值比較，判定實際結構控制截面應力與撓度值是否與設計要求相符；通過現(xiàn)場加載試驗對試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的綜合分析，對實際結構作出總體評價。

2.2 測試截面及測點布置

撓度測試截面：邊跨在相應工況測試截面(J2、J8)橫橋向設置3個撓度測點，根據(jù)現(xiàn)場條件，采用精密光學水準儀進行測試；主跨工況橫橋向設置3條測線(左幅、中央側(cè)、右幅)，每條測線縱向沿主跨8分點設置7個測點，總共布設21個測點，根據(jù)現(xiàn)場條件，采用連通管進行測試。撓度測點布置詳見圖1、圖2。

圖1 撓度測試截面布置圖(單位：m)

圖2 撓度測點橫向布置圖(單位：cm)

應變測試截面：選取3#輔助墩最大負彎矩截面(J1)、第4跨跨中截面(J2)、4#墩墩頂最大負彎矩截面(J3)、主跨L/4截面(J4)、主跨最大正彎矩截面(J5)、主跨跨中截面(J6)、5#墩墩頂最大負彎矩截面(J7)、第6跨跨中截面(J8)、6#輔助墩最大負彎矩截面(J9)、4#和5#主塔塔頂最大水平位移截面(J10、J11)、4#和5#主塔塔柱根部彎矩截面(J12、J13)作為應變(應力)測試截面。應變測點布置詳見圖3～圖6。

圖3 全橋應變測試截面布置(單位：m)

圖4 J1、J3、J7、J9截面應變測點布置

圖5 J2、J4～J6、J8截面應變測點布置

圖6 J12、J13截面應變測點布置

2.3 荷載試驗工況布置

結構計算中按公路-Ι級最不利布載，取控制截面最大彎矩作為試驗加載截面的控制值。靜力荷載試驗工況及各試驗加載截面的控制內(nèi)力見表1。

表1 主橋靜載試驗荷載效率Table1 Loadefficiencyofmainbridgeunderstaticloadtest加載工況加載項目試驗計算值/(kN·m)理論計算值/(kN·m)荷載效率工況1J1截面3#輔助墩最大負彎矩-51308.75-52788.20.972工況2J2截面第4跨跨中正彎矩33345.1735069.30.951工況3J3截面4#墩墩頂最大負彎矩-35803.72-41323.40.866工況4J4截面主跨L/4處主梁正彎矩31514.8531685.50.995工況5J5截面主跨主梁最大正彎矩40944.2142652.40.960工況6J6截面主跨跨中正彎矩43520.9241905.41.039工況7J7截面5#墩墩頂最大負彎矩-41355.2-35471.730.858工況8J8截面第6跨跨中彎矩33208.37328941.010工況9J9截面6#輔助墩最大負彎矩49764.86-51111.30.974工況11J12截面對應的4#主塔塔柱根部彎矩-25258.9-53106.80.477J13截面對應的5#主塔塔柱根部彎矩-32811.5-81513.20.403 注:工況10為J10、J11截面對應的4#、5#主塔塔頂最大水平位移,其試驗計算值41.187mm,理論計算值61.058mm,荷載效率0.675。

2.4 試驗結果

a.主梁撓度。

工況2(J2截面第4跨跨中正彎矩)作用下各測點撓度滿載值見表2和圖7。遵義側(cè)最大彈性撓度為19.91 mm，撓度結構校驗系數(shù)在0.68～0.83之間，相對殘余撓度在-17.85%～2.40%之間，卸載后整體上撓度恢復正常。

表2 工況2作用下?lián)隙葘崪y結果Table2 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions2mm工況2中載測試位置左側(cè)彈性撓度中央彈性撓度右側(cè)彈性撓度計算撓度F19.679.789.1113.37F219.9119.0817.9523.99F310.5910.3310.4013.13注:表中數(shù)據(jù)相對殘余撓度均小于20%。

圖7 工況2作用下實測撓度與理論值對比圖

工況6(J6截面主跨跨中正彎矩)作用下各測點撓度滿載值見表3和圖8。工況6實測橋跨最大彈性撓度為118.13 mm，撓度結構校驗系數(shù)在0.79～0.99之間，均值0.94，主要測點相對殘余撓度在-9.59%～16.55%范圍內(nèi)。在試驗荷載下，主橋試驗橋跨結構整體剛度滿足公路-I級汽車荷載的正常使用要求。

表3 工況6作用下?lián)隙葘崪y結果Table3 Measuredresultsofdeflectionunderworkingcondi-tions6mm工況2中載測試位置左側(cè)彈性撓度中央彈性撓度右側(cè)彈性撓度計算撓度F112.5712.0212.9713.67F239.2438.5339.3039.71F386.1985.6588.0289.33F4116.18116.05118.13122.04F589.7289.6488.7193.05F641.0541.6540.5142.76F713.5412.9711.7314.84注:表中數(shù)據(jù)相對殘余撓度均小于20%。

圖8 工況6作用下實測撓度與理論值對比圖

b.主梁應變。

J2截面工況2應變檢測結果見表4和圖9、圖10。對比實測橋跨應變及與理論計算值，得出遵義側(cè)邊跨主要測點應變校驗系數(shù)在0.45～0.90之間，卸載后整體上恢復正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余應變在20%范圍內(nèi)，應變實測線性相關性較好。

圖9 J2截面加載2-1#～2-24#測點實測應變值與計算值的比較

圖10 J2截面加載2-1#測點實測應變值與荷載的關系曲線

J6截面工況6應變檢測結果見表5和圖11、圖12。J6截面工況6作用下，對比實測橋跨應變及與理論計算值，得出主橋主桁主要測點應變校驗系數(shù)在0.26～0.99之間，卸載后整體上恢復正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余應變在20%范圍內(nèi)，應變實測線性相關性較好。

表5 J6截面工況6應變檢測結果Table5 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ6un-derworkingconditions6測點編號總應變值/με滿載彈性應變/με實測殘余應變/με應變理論計算值/με校驗系數(shù)相對殘余應變/%6-168664950.696.376-36886-13950.91-19.126-6-17-15-1-280.546.006-7-15-15-2-560.2610.876-8-22-24-3-560.4215.156-10-21-27-2-560.4811.116-12-41-56-2-560.994.886-14-15-150-560.270.006-16-18-180-560.320.006-18-16-16-2-560.2912.506-2047467710.6414.896-225559-4950.62-7.27

圖11 J6截面加載6-1#～6-24#測點實測應變值與計算值的比較

圖12 J6截面加載6-3#測點實測應變值與荷載關系曲線

J13截面工況6(5號主塔塔底)應變檢測結果見表6和圖13、圖14。對比實測橋跨應變與理論計算值，得出5號塔底主要測點應變校驗系數(shù)在0.50～1.00之間，卸載后整體上恢復正常，各荷載工況下主要控制測點相對殘余應變在20%范圍內(nèi)，應變實測線性相關性較好。

圖13 5#主塔加載13-1#～13-12#測點實測應變值與計算值的比較

圖14 5#主塔截面加載13-9#測點實測應變值與荷載的關系曲線

由此可見，在試驗荷載下，試驗橋跨結構強度滿足公路-I級汽車荷載的正常使用要求。

表6 J13截面工況6(5號塔底)應變檢測結果Table6 StrainmeasurementresultsofcontrolsectionofJ13underworkingconditions6(Towerbottomof5)測點編號總應變值/με滿載彈性應變/με實測殘余應變/με應變理論計算值/με校驗系數(shù)相對殘余應變/%13-1-5-50-60.830.0013-2-4-40-60.670.0013-3-5-4-1-60.6720.0013-4-4-40-60.670.0013-5-5-50-60.830.0013-6-5-4-1-60.6720.0013-722030.670.0013-822030.670.0013-922030.670.0013-1011030.330.0013-1122030.670.0013-1211030.330.00

c.主塔塔頂偏位。

4#索塔實測偏位值最大為33.6 mm，校驗系數(shù)為0.76～0.91；5#索塔實測偏位值最大為33.4 mm，校驗系數(shù)為0.65～0.97，實測值小于計算值。說明索塔剛度滿足設計要求。測試結果見表7、表8。

表7 各工況下4#索塔塔頂偏位測量結果Table7 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof4undervariousworkingconditions工況偏位方向(縱橋向)實測偏位值/mm計算值/mm校驗系數(shù)工況3向貴陽側(cè)偏位5.26.360.82工況4向貴陽側(cè)偏位6.68.720.76工況5向貴陽側(cè)偏位13.614.910.91工況6向貴陽側(cè)偏位24.330.650.79工況7向貴陽側(cè)偏位5.46.820.79工況10向貴陽側(cè)偏位33.641.20.82注:主塔向貴陽側(cè)偏移為正,主塔向遵義側(cè)偏移為負。

表8 各工況下5#索塔塔頂偏位測量結果Table8 Towertopdeviationmeasurementresultsoftowerof5undervariousworkingconditions工況偏位方向(縱橋向)實測偏位值/mm計算值/mm校驗系數(shù)工況3向遵義側(cè)偏位-19-29.440.65工況4向遵義側(cè)偏位-21.0-21.670.97工況5向遵義側(cè)偏位-33.4-34.890.96工況6向遵義側(cè)偏位4.04.250.94工況7向貴陽側(cè)偏位-16.8-21.970.76工況10向遵義側(cè)偏位-19-29.440.65注:主塔向貴陽側(cè)偏移為正,主塔向遵義側(cè)偏移為負。

3 模態(tài)試驗

橋梁的動力特性，通常主要通過有限元計算和試驗模態(tài)分析兩種方法獲得。通過模態(tài)試驗得到橋梁的實測振型并與理論振型對比分析，分析并驗證橋梁結構剛度的合理性。

本橋豎向振型擬選取主跨在十六等分點處布置測點，邊跨在二等分點處布置測點，次邊跨在四等分點處布置測點，參考點選在主跨的3/8跨處右側(cè)，即為共29個測試截面，每個測試截面分左、右側(cè)布置測點，每側(cè)29個測點，2個主塔布置在塔梁結合處和上橫梁上，左右各布置2個測點，共計66個測點。截面及測點布置見圖15、圖16。用1臺儀器同時測量(參考點位置儀器不動)，其余11臺儀器可移動測量，分6批次進行采集。

圖15 模態(tài)試驗截面布置圖(單位：m)

圖16 主梁測點橫截面布置示意圖(單位：m)

豎向模態(tài)測試結果見表9。

表9 豎向模態(tài)(前6階)測試結果Table9 Testresultsofverticalmodalofthetopsixsteps階次實測頻率理論值阻尼比振型特征10.4090.3901.2正對稱豎彎20.5860.5331.1反對稱豎彎30.7750.7183.0扭轉(zhuǎn)40.9090.9265.3正對稱豎彎51.1601.0661.0反對稱豎彎61.2271.1911.9扭轉(zhuǎn)

豎向模態(tài)測試實測振型圖與理論振型圖(前三階)見圖17～圖22。

圖17 模態(tài)測試1階振型圖(f1=0.409 Hz)

圖18 理論計算1階振型圖(f1=0.390 Hz)

圖19 模態(tài)測試2階振型圖(f2=0.586 Hz)

圖20 理論計算2階振型圖(f2=0.533 Hz)

圖21 模態(tài)測試3階振型圖(f3=0.775 Hz)

圖22 理論計算3階振型圖(f3=0.718 Hz)

由以上圖表分析可知，主梁前三階實測頻率均大于理論頻率，表明主梁實測整體剛度均大于設計剛度；橋梁振型無異常情況，實測振型與理論計算振型吻合，實測阻尼正常，說明烏江特大橋主橋動力特性和動力響應正常。

4 結論

本文依托楠木渡烏江特大橋?qū)ι絽^(qū)超寬混凝土斜拉橋荷載試驗檢測的技術難題和關鍵技術問題進行研究，得出結論如下：

a.通過撓度數(shù)據(jù)分析得出主要測點撓度校驗系數(shù)在0.68～0.99之間，各試驗工況下主要測點相對殘余撓度在20%范圍內(nèi)，卸載后整體恢復正常。在試驗荷載下，主橋試驗橋跨結構整體剛度滿足公路-I級汽車荷載的正常使用要求。

b.試驗荷載下，主要測點應變校驗系數(shù)在0.26～0.99之間，各試驗工況下主要測點相對殘余應變在20%范圍內(nèi)，卸載后整體恢復正常。該橋試驗橋跨結構強度滿足設計荷載標準(公路—Ι級)的正常使用要求。

c.4#、5#索塔實測偏位值校驗系數(shù)為0.65～0.97，實測值均小于計算值，索塔剛度滿足設計要求。

d.通過模態(tài)分析對比，主梁實測整體剛度均大于設計剛度，橋梁振型無異常情況，結構能滿足實際需求。