斜拉桥静载试验技术研究

斜拉桥静载试验技术研究

李少林1，陈东亮2

（1.广州市中心区交通建设有限公司，广州 510030；2.广东华路交通科技有限公司，广州 510420）

摘要：本文以潮汕环线高速公路榕江大桥为例，介绍了斜拉桥静载试验技术。重点阐释了公路桥梁静载试验加载车辆的计算方法：首先介绍了加载车辆计算的一般程序，然后结合工程实例对计算过程加以说明，并提出了加载车辆对应影响线竖标的简单获取方法——利用CAD标注。对静载试验的索力测试、加卸载程序设计、测点布置要点进行了简要介绍，指出：斜拉桥静载试验应包含全桥索力测试，加卸载程序需科学设计以满足试验要求的同时减小温度效应的影响。此外，分析了榕江大桥静载试验过程主梁挠度、应变、拉索索力、塔顶位移的变化情况，以及全桥索力实测值与理论值的偏差情况；并基于此对桥梁结构的力学性能进行了评价。文章详细介绍了斜拉桥静载试验技术的关键点，对同类型项目具有较好的借鉴意义。

关键词：斜拉桥；静载试验；加载车辆计算；索力测试；加载程序设计；校验系数

中图分类号：U446  文献标识码：B

Research on Static Load Test Technology of Cable-stayed Bridge

Li Shaolin1, Chen Dongliang2

(1.Guangzhou Central Traffic Construction Co. , Ltd., Guangzhou510030 ,2.Guangdong Hualu Transport Technology Co. Ltd., Guangzhou 510420)

Abstract:Taking Rongjiang Bridge on Chaoshan Ring Expressway as an example, this paper introduces the static load test technology of cable-stayed bridge. This paper focuses on the calculation method of loading vehicle in highway bridge static load test: Firstly, the general program of loading vehicle calculation is introduced, and then the calculation process is explained with engineering examples; Finally, a simple method for obtaining the vertical mark of the corresponding influence line of the loading vehicle is proposed - - using CAD annotation. This paper briefly introduces the cable force test, loading and unloading program design and measuring point layout of static load test, and points out that the static load test of cable-stayed bridge should include the cable force test of the whole bridge, and the loading and unloading program should be scientifically designed order to satisfy the test requirements and reduce the influence of temperature effect. In addition, the paper analyzes the changes of main girder deflection, strain, cable force and tower top displacement during the static load test of Rongjiang Bridge, and the deviation between the measured value and the theoretical value of the cable force of the whole bridge. Based on this, the mechanical properties of bridge structure are evaluated. This paper introduces the key points of static load test technology of cable-stayed bridge in detail, which has good reference significance for the same type of projects.

Key words: Cable-stayed bridge; Static load test; Loaded vehicle calculation; Cabel tension test; Loading program design; Calibration coefficient

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0引言

近年来，广东省公路交通实现了飞跃式发展，在一些沿海地区，软土地质状况比较常见，为应对该地质状况，很多公路建设项目的桥隧比较高。我国桥梁结构一般的设计使用寿命为100年，为保证桥梁结构的安全使用，建设期桥梁结构质量保证尤为重要。荷载试验是检验桥梁结构质量的常用方法，常用于新建桥梁的交工验收。荷载试验分为静载试验和动载试验，目前检测单位通常按照《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）[1]的相关要求进行作业，但是该规程对荷载试验仅进行了方向性、原则性的指导，对于静载试验加载车辆如何计算、布置以及静载试验实施过程的技术要点并不明确。此外，对于如何利用静载试验结果评价桥梁结构的性能，业内也存在一些不同的意见。

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关于桥梁静载试验加载车辆的计算和布置问题，魏敏[2]等重点比较分析了按桥梁宽度和按运营车道（二者车道数不同）计算，加载车辆数的差异，文章仅简要介绍了加载车辆的计算方式，具体计算方法仍不明确；芶洁[3]利用Matlab开发了基于影响线的加载车辆自动化布载计算程序，但是文章未对加载车辆的计算方式进行介绍。关于桥梁静载试验实施过程的技术要点问题，李冲[4]、李延存[5]等进行了探讨，但是文章重点介绍试验流程、测点布置，对于试验实施过程中需要注意的问题没有涉及。关于如何利用静载试验结果评价桥梁结构的性能问题，很多学者提出了自己的意见[6]~[11]，王凌波质疑了采用校验系数常值范围来评价桥梁结构性能是否合格的合理性，刘旭政提出了斜拉桥各构件校验系数的常值范围。

为解决以上问题，本文详细阐释桥梁静载试验加载车辆的计算方法、并以潮汕环线高速公路榕江大桥为工程背景，介绍斜拉桥静载试验实施过程的技术要点，以及利用试验结果对桥梁结构静力学性能进行评价。

1 工程概况

潮汕环线榕江大桥为60+140+400+140+60m的双塔钢箱梁斜拉桥，全长800.00m，全桥采用半漂浮体系，桥跨布置如图1-1所示。主梁采用流线型扁平钢箱梁，宽41.1m，行车道布置为：3.0m应急车道+3×3.75m行车道+3.5m中央分隔带+3×3.75m行车道+3.0m应急车道，如图1-2所示。斜拉索采用扇形式布置，双索面，在外侧锚固。索塔采用倒Y形框架，塔柱为钢筋混凝土构件，下横梁为预应力混凝土构件。

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图1-1 桥跨布置图

图1-2 桥跨布置图

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2 加载车辆计算

2.1 一般计算方法

桥梁静载试验的加载车辆计算包含：加载车数量与加载车在桥上的布置位置；在计算过程中此二者相互联系、相互影响，需要将二者结合在一起考虑；采用的方法为试算法，计算工作按如下程序开展：

1）收集桥梁结构信息

需要收集的桥梁结构信息主要为桥梁结构的设计资料，应包含桥梁结构的材料信息、几何尺寸信息、各部分连接及约束信息、荷载信息。需要特别指出的是桥梁结构的汽车活载信息：桥梁结构实际的运营车道数和《公路桥涵设计通用规范》[12]要求的计算车道数不一致；对于交、竣工检测项目以及其他没有特殊要求的项目，静载试验按照《公路桥涵设计通用规范》的相关要求计算汽车活载的车道数；如果委托单位有特殊要求，可采用其要求的汽车活载车道数，但是不能超出规范的要求。

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2）确定静载试验工况

针对不同类型的桥梁结构，《公路桥梁荷载试验规程》规定了主要工况和附加工况，主要工况为必做工况，附加工况为选做工况。斜拉桥的主要工况为：主梁中孔跨中最大正弯矩及挠度工况、主梁墩顶最大负弯矩工况、主塔塔顶纵向最大水平位移工况、塔脚截面最大弯矩工况。

3）计算汽车活载设计效应

静载试验采用的技术思路是等效模拟，通过在桥梁上布置加载车辆，使试验荷载下的控制截面结构效应（弯矩、剪力、位移）接近设计荷载下的结构效应。因此，在确定试验工况后，需利用收集到的桥梁结构信息建立有限元模型，模拟设计荷载，计算设计荷载下的结构弯矩、剪力、位移，提取各工况控制截面的效应作为控制目标；制作全桥的内力、位移包络图，作为全桥结构效应的限值；提取各工况控制截面的效应影响线，作为后续加载车辆计算的基础。

4）加载车数量与布置计算

从经济性以及缩短试验时间的角度出发，在安排加载车辆时，一般尽可能的让一个布载方式满足多个试验工况的荷载效率要求；此外一个布载方式使用的车辆数越少，成本越低。试算法加载车数量与布置位置的计算程序如图2.1-1所示，计算思路为：

图2.1-1 加载车辆计算程序

① 明确试算法的初值。

加载车的重量、数量、布置位置的初始值一般根据经验来确定。

加载车重量方面。由于《公路桥涵设计通用规范》采用的车辆荷载参数为总重550kN，最大轴重为140kN，所以加载车辆的总重不宜超过550kN，轴重不宜超过140kN，通常取的加载车重量为30t，最大轴重12t。

加载车数量与加载车布置方面。在纵桥向上，通常以加载工况的控制截面为中心，对称安排车辆，对于小跨径桥梁通常安排2行车即可满足试验要求，大跨径桥梁通常4行车可满足要求；此外，对靠近控制截面的加载位宜尽可能多的安排车辆，各纵向载位的加载车数量可不一致。在横桥向上，偏载工况应按照《公路桥涵设计通用规范》的图示方法进行布置；中载工况应以桥梁中心线为轴对称布置车辆。

② 计算一辆车产生的效应。加载车所有车轴的轴重Pni与其布置位置效应（内力、位移）影响线竖标的乘积yi之和即为一辆车产生的效应Sn，即。其中，n表示该车在纵桥向处于第n号载位，i表示该加载车的第i号轴。

③ 计算一个纵向载位的效应。一个纵向载位加载车的数量（横向布置）为m，则n号载位所有车辆产生的效应为m·Sn。

④ 计算所有加载车的总效应。若载位数为k，所有加载车产生的总效应为Ss，则。

⑤ 荷载效率是否满足要求判断。将加载车产生的总效应Ss与设计荷载效应S·（1+μ）相比，比值即为荷载效率，按照《公路桥梁荷载试验规程》荷载效率宜介于0.85~1.05之间。如果荷载效率不满足要求，则需调整加载车数量和加载车纵向布置位置；如果荷载效率满足要求，则需进行全桥截面效应验算。

⑥ 全桥截面效应验算。如果在加载车作用下全桥截面的弯矩、剪力、位移效应均在包络图限值范围内，则说明计算的车辆安排方案能够满足试验要求；否则需调整加载车数量和加载车纵向布置位置。

2.2 榕江大桥加载车辆计算

1） 设计荷载计算

榕江大桥的净桥面宽度为28.5m，双向行驶，根据《公路桥涵设计通用规范》按8车道计算设计荷载；横向折减系数为0.50；纵向折减系数为0.96，汽车荷载等级为公路- I级。

根据设计图纸，利用MIDAS软件建立桥梁结构有限元模型，如图2.2-1所示。在模型中模拟设计车道荷载，分析计算设计荷载下的结构响应。得到各工况结构效应设计值如表2.2-1所示，结构效应包络图如图2.2-2、图2.2-3所示。

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图2.2-1 计算模型图

表2.2-1  设计荷载下各工况控制截面效应表

图2.2-2 全桥弯矩包络图

图2.2-3 全桥位移包络图

2）加载车辆计算

加载车辆选用3轴卡车，轴距参数、重量分布参数如图2.2-4所示。

图2.2-4 加载车辆参数图

根据经验布置加载车辆：以中跨跨中为中心，对称布置加载车辆纵向载位，布载顺序由近及远，距离的远近相对对称中心而言。布置的第1个纵向载位通常距离对称中心约3m，后续纵向载位的后轴与其前面纵向载位的前轴间距一般不小于10m。

影响线竖标计算方法：将midas软件计算得到的各控制截面的效应影响线结果在CAD中绘制成图，然后可以直接用标注命令，得到加载车辆各轴对应位置的效应影响线竖标。主跨跨中最大正弯矩工况一个纵向载位的影响线竖标如图2.2-5所示。

图2.2-5 影响线竖标计算示意图

利用图2.1-1所示的加载车辆计算程序，经过多次迭代计算，得到的各工况加载车辆布置方案如图2.2-6、图2.2-7所示，经过反复优化，可采用一个车辆布置方案满足工况1~工况4的试验要求。各工况的试验荷载效率如表2.2-2所示，由表可知：各工况的试验荷载效率满足规范要求（0.85~1.05）。

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表2.2-2 各工况荷载试验效率表

图2.2-6 工况1~工况4加载车辆布置图

图2.2-7 工况5加载车辆布置图

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3）主梁截面效应验算

结构验算的对象应包括桩基之外的全桥所有截面，此处以主梁弯矩、剪力的验算为代表进行介绍。在有限元模型中模拟优化后的加载车辆在桥上的作用，计算试验荷载下主梁截面的弯矩和剪力。试验荷载作用下主梁的弯矩、剪力与设计荷载作用下的比价情况如图2.2-8、图2.2-9所示。由图可知：各工况试验荷载产生的弯矩、剪力均小于设计荷载产生的弯矩、剪力。

图2.2-8 主梁弯矩验算包络图

图2.2-9 主梁剪力验算包络图

3 静载试验技术要点

1）索力测试

《公路桥梁荷载试验规程》作为一本检测技术规范，对于成桥状态全桥索力没有提出检测要求；但是，斜拉索作为斜拉桥的主要受力构件之一，其索力状况是全桥受力状态的重要组成部分；因此，在荷载试验的实践中，通常需要对全桥索力进行测试。此外，《公路桥梁荷载试验规程》对试验过程中的索力测试要求以附加工况的形式提出，为兼顾索力测试和试验时间成本，在实践中一般在主梁中孔跨中最大正弯矩工况对拉力最大的几根拉索进行索力测试。榕江大桥选择中跨最长的3对索（共12根）作为试验过程的测试对象。

2）加卸载注意事项

在设计加卸载程序时，各加载级的车辆安排应科学合理。试验加载一般分为4~5级，每级加载的荷载宜相同，即加载车数量和位置相同；在无法实现每级试验荷载相同时，每个加载级的试验荷载应逐级减少。对于卸载，如果加载车辆较少，可一次卸载；如果加载车辆较多，可分为两级卸载。卸载过程，禁止车辆在桥上掉头。此外，由于试验时间过长，桥梁结构的温度效应比较显著，所以在设计加卸载程序时，应考虑试验所需的时间，以减小温度影响。榕江大桥静载试验分四级加载、一级卸载。

3）测点布置

① 挠度测点

《公路桥梁荷载试验规程》要求主梁位移测点应能反映其最大变位和变化规律，对于斜拉桥应测试塔顶位移。榕江大桥的主梁竖向位移测点布置为：纵桥向，在中孔按八分点布置，在边孔、次边孔按四分点布置；横桥向，在左、右幅行车道外边缘各布置一个测点，控制截面在箱梁中心增加两个测点；采用精密电子水准仪观测；主梁位移测点布置如图3-1所示。塔顶位移测点布置为：在两个索塔塔顶均布置测点，采用全站仪观测。

② 应变

榕江大桥主梁为钢箱梁，按照《公路桥梁荷载试验规程》的要求，中孔跨中截面测点布置情况如图3-2所示。主梁墩顶截面、塔截面的应变测点按照规范要求布置，在此不做赘述。

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图3-1 主梁纵向位移测点布置图（单位：cm）

图3-2 主梁中孔跨中截面应变测点布置图

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4 试验结果分析评价

1）主梁

主梁工况有工况1、工况2、工况5，三个工况的校验系数情况如表4-1所示，中孔跨中的挠度、应变校验系数分别为0.94、0.95，墩顶主梁应变校验系数为0.52；均处于规范要求的范围内（0.75~1.00）。但是墩顶主梁的校验系数明显偏低，可能的原因为墩顶附近主梁受力比较复杂，数值模型的模拟效果不太理想。

表4-1 主梁挠度、应变校验系数

本次静载试验第二级加载，车辆均布置在左幅桥，以模拟偏载工况。偏载工况下，中孔跨中截面横桥向挠度测试结果如表4-2、图4-1所示，应变测试结果如表4-3，图4-2所示；结果显示：靠近偏载侧的挠度、应变效应均明显偏大；远离偏载区域挠度明显偏小，而应变受剪力滞效应影响有小幅度的变大；挠度的横向增大系数为1.14，应变的横向增大系数为1.40，表明：对于较宽的钢箱梁，应力的剪力滞效应比较明显。

表4-2 偏载工况横桥向挠度测试结果

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表4-3 偏载工况横桥向应变测试结果

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图4-1 偏载工况横桥向挠度测试结果

图4-2 偏载工况横桥向应变测试结果

2）索塔

主梁工况有工况3、工况4，两个工况的校验系数情况如表4-4所示，索塔纵向位移校验系数为0.93，索塔应变校验系数为0.88；关于索塔校验系数，《公路桥梁荷载试验规程》未提出要求，按照实测值应不大于理论值的原则，索塔的位移、应变校验系数应≤1；显然，此次试验索塔的校验系数满足要求。

表4-4 索塔位移应变校验系数

3）拉索

试验过程，中孔跨中附近12根拉索索力最大增量实测值与理论值的比较情况如图4-3所示，其中11根索的索力偏差在5%以内，1根拉索的索力偏差为-15%；表明：在试验荷载作用下，拉索索力的变化与预期基本一致。

试验前后，均对全桥索力进行了测试，二者测试结果基本一致。试验后，全桥左幅拉索索力实测值与理论值的比较情况如图4-4、图4-5所示，二者偏差不大于8%，表明：全桥拉索的索力状态与设计期望基本相符。

图4-3 试验过程，索力增量实测值与理论值对比图

图4-5 试验后，107#塔索力实测值与理论值对比图

图4-5 试验后，107#塔索力实测值与理论值对比图

5 结语

榕江大桥为双塔双索面斜拉桥，针对该桥的静载试验，详细阐述了加载车辆的计算程序，提出采用CAD标注来简便获取效应影响线竖标的方法；指出静载试验应包含全桥索力测试（规范未要求）、试验加载程序的设计应考虑温度效应的影响。静载试验结果表明：桥梁结构的静力学性能满足其设计荷载下的使用要求，桥梁结构受力状态与设计预期较为一致；此外，榕江大桥主梁应力的剪力滞效应比较明显，在运营中应对主梁应力薄弱部位重点关注。

参考文献

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作者简介：李少林（1989年06月—），男，本科学历，路桥工程师，主要从事工程建设管理工作。

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