摘要：以沙溪大桥主桥为工程背景，基于结构有限元软件仿真计算，对其实施静、动载试验。通过理论计算与试验实测数据的对比，分析该桥结构强度和刚度，鉴定其桥梁实际承载能力。为桥梁日后养护、维修加固提供依据。
关键词：独塔单面板拉桥；有限元分析；静、动载试验
Research on Load Test of Prestressed Single Tower and Single Faced Bridge
Yang Xubang
（Guangdong Chengxin Highway Engineering Inspection Limited Company. Guangzhou 511400）
Abstract：Taking the main bridge of Shaxi Bridge as the engineering background，Based on the structural finite element software simulation calculation，Static and dynamic load tests were carried out. Through the comparison between theoretical calculation and experimental data，The strength and stiffness of the bridge structure are analyzed，And the actual bearing capacity of the bridge is identified. Provide a basis for future maintenance，Repair and reinforcement of bridges.
Key words：Single-tower single-deck bridge；Finite element analysis；Static and dynamic load test.
1 工程概况
沙溪大桥位于广州市番禺区X270线，中心桩号为K7+475。该桥为单幅桥，桥面正交。桥梁全长553m，共26跨，跨径组合为：6×16m+4×25m+2×60m+1×25m
+13×16m。桥面总宽18.60m，桥面铺装层为水泥混凝土，双向4车道。主桥采用2×60m预应力独塔单面板拉桥，塔高15m，主梁结构为单箱四室预应力钢筋砼连续箱梁，板式橡胶支座；下部结构为桩柱式桥墩台，钻孔灌注桩基础。主桥设计荷载：
汽车-20级、挂车-100，人群荷载3.5kN/m2。
图2 沙溪大桥主桥剖面示意图（单位：cm）
Fig.2 Section sketch of main bridge of Shaxi Bridge（Unit: cm）
2 有限元分析
采用midas／civil有限元软件对该桥进行建模分析，主塔及桥面箱梁采用杆系单元模拟，斜拉板采用实体单元模拟，全桥386个节点，217个单元。建立主桥2×60m预应力独塔单面板拉桥模型[1]，根据设计文件，采用汽车-20级、挂车-100作为验证荷载进行静载试验的理论计算，有限元模型如图3所示。
图3 桥梁结构有限元模型
Fig.3 Finite element model of bridge structure
3 静载试验
通过测量桥梁在静力荷载作用下的变形及应力，来确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符，以评定桥梁的承载能力[2]。
3.1 加载位置及荷载工况
根据工地现场条件及独塔单面斜拉板桥的特点[3]，本桥试验分成2个加载工况来完成。选择主桥2跨，即第15跨、第16跨为主要测试对象。本次试验根据设计标准荷载计算出各有关截面的变形和内力荷载效应，试验荷载分二个载位进行，按跨中弯矩等效的原则[4]。
第一载位试验工况（测试A-A截面第16跨主梁距16#墩15.4m处截面最大正弯矩、15#墩主塔及斜拉板位移、C-C截面北斜拉板与主塔和D-D截面北斜拉板与桥面连接处内力）采用4辆30.5吨双后轴车辆和2辆13.5吨单后轴车辆，总重149吨，以对称的形式布置在距16#墩15.4m的断面上，加载分六级逐级进行。
第二载位试验工况（测试B-B截面第16跨主梁距15#墩22.0m处截面最大正弯矩、15#墩主塔及斜拉板位移、C-C截面北斜拉板与主塔和D-D截面北斜拉板与桥面连接处内力）采用4辆30.5吨的双后轴车辆，总重122吨，以偏载的形式（偏防撞墙侧）布置于距15#墩22m处，加载分四级逐级进行[5]。
第一载位、第二载位加载位置布置如图4～5所示，试验工况截面如图6所示。
图6 静载试验截面位置图（单位：m）
Fig.6 Static Load Test Section Position Map (Unit: m)
3.2 试验荷载测点布置
测试截面应力（应变）采用振弦式应变计进行测试。结合现场环境条件，在主梁控制截面[6]分别布设应变测点，共计34个测点；挠度采用精密电子水准仪进行测量。挠度测点均匀布设于主桥桥面上下游侧，共计26个测点；北斜拉板与主塔、桥面连接处共布设13个应变测点；北斜拉板与主塔、桥面连接处另一面共布设9个应变花测点；塔顶位移测点采用全站仪进行测试，在主塔顶部设置1个塔顶位移测点，两片斜拉板的1/2L处各布置1个位移测点。
图11 北斜拉板与主塔、桥面应变花布置图
Figure.11 Layout of Strain Flower of North Cable-stayed Plate and Main Tower and Bridge Deck
3.3 结果分析评定
3.3.1 荷载效率
在试验荷载作用下，荷载效率系数如表1所示。
3.3.2 结果分析
在满载试验荷载作用下，各试验弹性实测值、理论计算值、校验系数及残余比如表2～3所示。由表2数据可知，主梁刚度不满足设计要求。由表3数据可知，主梁强度满足设计要求。
在第一载位、第二载位工况满载试验荷载作用下，主塔及斜拉板未发现有偏移。
表1 试验值和效率系数
Table 1 Test value and efficiency coefficient
4 动载试验
4.1 测试项目
1、桥梁脉动试验：在桥梁无车辆通行时，桥梁受环境自然激励，量测桥梁的固有振动频率。
2、跑车试验：在桥面上，汽车分别以10km/h、20km/h、30km/h和40km/h的行驶速度进行跑车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的振动频率和振幅。
3、刹车试验：在桥面上，汽车分别以10km/h、20km/h、30km/h和40km/h的行驶速度进行刹车，在跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的振动频率和振幅。
4、跳车试验：试验跨的跨中位置，汽车从约15cm高的垫木上后轮自由下落对桥梁进行的激励振动，量测桥梁的固有振动频率和阻尼。
4.2 测点布置
根据桥梁的结构特点[7]，在主桥试验跨布设动态拾振传感器、动应变测点，测点的布置图如图12～13所示。
图12 主桥振动传感器测点布置示意图（单位：cm）
Fig.12 Layout of main bridge dynamic load sensor（Unit: cm）
图13 主桥动应变测点布置图（单位：cm）
Fig.13 Layout of Dynamic Strain Measuring Points for Main Bridge
（Unit: cm）
4.3 结果分析与评定
本桥动载试验共历时2h。实测主跨的脉动、跑车、刹车和跳车的时程曲线与信号，将动载试验实测数据结果进行汇总，如表4～5所示。理论一阶振型[8]及实测信号的典型频谱分析如图14～16所示。
对比理论值与实测值可知实测脉动、跑车、刹车、跳车基频分别为1.660Hz、1.660～1.758Hz、1.660～1.758Hz、1.660Hz，接近理论值1.675Hz，动载试验实测基频与理论值之比介于[0.9~1.0），评定标度为3，说明结构损伤对结构受力整体性能影响较大，桥梁结构处于较差的工作状态。结构整体刚度较差，桥梁结构的行车性能较差。
表4 沙溪大桥主桥三阶模态频率和阻尼比
Table.4 Third-order modal frequency and damping ratio of main bridge of Shaxi Bridge
图16 脉动试验测点频谱图
Fig.16 Pulsating test point spectrum diagram
5 结论
本文通过对独塔单面板拉桥桥静、动载试验结果分析，沙溪大桥主桥静载结果表明挠度校验系数超过规范允许值，应变校验系数接近1，没有足够富余。动载结果表明桥梁结构处于较差的工作状态，结构整体刚度较差。综上，沙溪大桥承载能力不满足汽车-20级、挂车-100的荷载等级使用要求，其试验方案可为类似桥梁成桥荷载试验提供参考。
参考文献
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[8] 刘 高，王秀伟，强士中. 斜拉板桥的动力分析模型［J］.桥梁建设，1999（1）：7-9.
作者简介：杨旭邦（1986-），男，本科，路桥工程师，现为桥梁检测师从事桥梁检测工作
论文作者:杨旭邦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/15
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