大型花瓣式钢主塔斜拉桥施工监测及荷载试验的研究

大型花瓣式钢主塔斜拉桥施工监测及荷载试验的研究

薛超

薛超

中电建路桥集团有限公司北京100048

摘要：文章研究大型花瓣式钢主塔斜拉桥梁，通过施工监测及荷载试验，确保其工程质量，始终使其处于良好的工作状态。因此采用静、动载试验检测来检验设计和施工质量是否满足设计和标准规范要求，评定桥梁运营荷载等级和实际使用状况等。

关键词：钢主塔；斜拉桥；钢箱梁；施工监测；荷载试验

1工程概况

桥梁概况：西安市富裕路跨沣河桥主桥结构为花瓣式独塔斜拉桥。跨径布置为80m+80m。结构体系为塔墩固结、塔梁分离形式。主梁和桥塔横梁间设置纵向活动支座，为半漂浮体系。

主梁为扁平钢箱梁（多室截面），箱梁宽度24.5m，梁高1.8m；钢箱梁支座位置每隔2m设一道横隔板。箱梁顶板厚度16mm，底板厚12mm，腹板厚16mm。箱梁顶底板上设置纵向U形加劲肋，横隔板上设置横竖向加劲条。斜拉索梁上锚点采用锚箱式锚固。

桥塔立面呈V字形向上分两肢，两肢夹角50°，立面上两肢高度方向每隔2.8m在水平方向设钢绞线水平拉索。桥塔钢结构、钢混结合段总高度为51.466m，其中桥面以上高38.718m。桥塔端视为拱形（线形为椭圆曲线）。V构主体为钢箱结构，箱体外轮廓尺寸：纵桥向2.8m，横桥向2.5m，板厚24-32mm。

两跨桥各设斜拉索8对，梁上相邻索锚点纵向距离8m。拉索布置方式为空间索。斜拉索与水平线的夹角在31.15°～72.34°之间。斜拉索锚固端设在塔内，张拉端设在主梁内。

图1-1斜拉桥立面（1/2）布置图

图1-2桥塔端视图

2试验检测的主要内容

本次桥梁的静、动载试验检测的主要内容如下：

（1）桥梁实际状况检测。包括：①桥梁结构的几何线形是否和设计相符；②对桥梁进行实地外观检测，包括桥梁结构物各部分的裂缝、变形和主要构件位置等。

（2）静载试验。通过测试桥梁控制截面在试验荷载下的应变（应力），最大挠度、偏载系数、梁体裂缝开裂情况，对桥梁工作性能及使用能力作出评价。

（3）动载试验。通过测试桥梁在动力荷载作用下的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应等参量，判断桥梁结构的整体刚度和行车性能等。包括：行车试验、刹车试验、跳车试验和脉动试验。

（4）试验结果分析。首先对试验检测资料和数据进行科学的分析处理、去伪存真，去粗取精，综合分析比较，从中提取有价值的信息；然后根据相关规范、规程和标准以及试验检测的目的要求，对试验检测对象作出科学的判断和评价，尤其是对检测中发现的缺陷情况进行分析。

3静载、动载试验检测的程序与方法

3.1试验检测的程序

3.1.1静、动载试验检测的工作阶段

（1）试验准备阶段

试验准备阶段是桥梁静、动载试验顺利进行的前提和保障，其工作包括：

1）收集桥梁设计文件、施工记录、监理记录、原始试验资料等桥梁技术资料；

2）检查桥梁现状，如桥面系、承重结构构件、支座、基础等部位的表观状况；

3）检算设计荷载和试验拟加荷载作用下理论内力、位移；

4）制定加载和量测方案，选用仪器设备；

5）搭设工作支架、设置测量仪器支架、测点放样及表面处理、布设测试仪器、安装调试测量仪器设备等。

（2）试验现场实施阶段

加载与观测阶段是整个检测工作的中心环节。这一阶段的工作是在各项准备工作就绪的基础上，按照预定的试验方案与试验程序，利用加载车辆进行加载，运用各种测试仪器，观测试验结构受力后的各项性能指标。

（3）试验结果分析和评定阶段

分析总结就是对原始测试资料进行综合分析的过程。原始测试资料包括大量的观测数据、文字记载和图片等材料，受各种因素的影响，一般显得缺乏条理性和规律性，未必能深刻揭示试验结构的内在行为规律。

3.1.2各加载工况工作流程

各加载工况工作流程如下：

（1）桥梁空载，根据现场负责人的指令，几何测量组读取桥梁在空载下的初始读数，加载车辆在停车场待命；

（2）各测量组读取完初始数据后，向总指挥汇报，然后现场负责人向车辆调度组下指令，加载车辆逐批进场（逐级加载），相继进入指定位置；

（3）加载车辆全部到位后，向现场负责人报告。现场负责人下达指令，各个测量小组开始测量；

（4）各个测量小组完成本工况各自的测量任务后，向现场负责人报告；

（5）根据各个测量小组汇报的测量结果，现场负责人判断试验是否正常。如果测量结果有异样，则命令相应的小组重新测量。如果一切正常，则命令加载车辆撤离，本工况结束；

（6）进入下一加载工况，直至试验结束。

3.2试验检测的内容、方法、手段与频率

3.2.1桥梁实际状况检测

桥梁实际状况检测主要包括：①桥梁结构的几何线形是否和设计相符；②对桥梁进行实地外观检测，包括桥梁结构物各部分的裂缝、变形和主要构件位置等。

（1）桥梁几何线形检测

桥梁几何线形主要检测桥面控制点的高程，以了解几何线形是否和设计相符。

（2）桥梁外观检测

桥梁外观检测主要检测桥梁结构物各部分的裂缝、变形和主要构件位置等。采用桥梁检测车接近结构物进行检测，主要检测方法为目测辅以必要的仪器检测，必要时也可采用超声检测技术。

3.2.2静载试验

静载试验就是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，然后对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力作出评价。

3.2.2.1试验准备

（1）试验孔（或墩）的选择

试验孔的选择非常重要，它关系到所做试验是否能够比较准确地反映此部分结构以及整个桥梁结构的性能。试验孔的选择将结合桥梁调查与检算工作一并进行。

（2）观测脚手架搭设及测点附属设施设置

搭设脚手架将遵循以下原则：因地制宜，方便布置安装观测仪表，保证布影响仪表和测点的正常工作，不干扰测点附属设施。脚手架和试验支架分开搭设互不影响，具有足够的强度、刚度和稳定性。在不便搭固定脚手架的情况下，考虑采用桥梁检查设备（桥梁检测车）。

（3）荷载试验加载位置的放样和卸载位置的安排

静载试验前在桥面上对加载位置进行放样，便于加载试验的顺利进行。预先安排静载试验荷载卸载的安放位置。

（4）试验人员的组织与分工

试验队伍将由不同专业、不同层次的人员组成：桥梁工程师、专业技术测试人员、仪器仪表工程师等。试验时根据每个试验人员的特长进行分工，其它人员配备根据实际情况考虑。

（5）其它准备工作

其它准备工作包括：加载试验的安全措施、供电照明设施、通讯联络设施、桥面交通管制等。还有就是提前租用加载车辆并确定载重物及加载方法，按试验标准对车辆型号、轴距、轴重等参数进行测试并记录。

3.2.2.2加载方案与实施

（1）静载试验加载工况确定

1）主梁L/4、L/2、3L/4位置最大弯矩、最大轴力工况；

2）跨V形塔中段主梁最大弯矩；

3）桥塔根部最大弯矩、轴力工况；

4）桥塔最大扭矩工况。

（2）静载试验测试内容

1）主梁各试验截面（S1～S5，S1’～S4）的应力测试

2）桥塔各测试截面应力测试

3）主梁挠度测试

4）桥塔塔顶、塔身变形测量

5）斜拉索索力、伸长量测试。

（3）静载试验测点布置

1）主梁应力测点：每主梁布置9个应力测试截面，每截面6个测点，总应力测点为2×9×6=108个。

2）主塔应力测点数目为4×4×4×2=128个。

3）主梁在拉索位置处布置挠度测点。

4）主塔在塔顶、塔身布置变形观测点。

（4）静载测试方法和仪器

应力测试，采用在试验截面安装振弦式应变计的办法测试混凝土应变/应力；采用静态数据采集仪自动采集存储应变测试数据；

拱肋的挠度通过固定测站全站仪测试；桥面挠度用高精度水准仪测量；支座位移用差动式电子位移计测量。

（5）静载试验数据处理

实时处理分析，为实现对加载试验的实时控制，保证结构安全，在试验过程中应及时地将实测控制数据及应力、挠度等换算处理，并与试验设计计算值进行比较，以判断试验荷载下的结构工件作性能；

试验结果处理分析，按工况并以轮位图加载，测量各类数据、应力、挠度等。首先采用20%试验荷载预载，然后按级加载。

3.2.3动载试验

3.2.3.1试验准备

（1）对仪器设备进行全面的检查和标定，确保仪器设备状态良好。此外，要在距离测试部位适当的位置放置操作仪器，应能避免外界环境影响；接通电源，安装照明设备（如果夜间试验），检查通信设备的状态。

（2）按照试验方案，进行放样定位，布设传感器和导线。此外，根据被测结构的动力特性，确定“跳车试验”进行的位置，并作出标记。

（3）注意传感器、导线等仪器设备的防护；试验开始前封闭交通，禁止闲杂人员和非试验车辆进入。

（4）建立试验领导组织，进行人员分工安排。根据试验实际情况，设指挥一人，车辆引导人员数人，测试人员数人。配备相应的通信联络工具或明确联络方式，以便统一指挥，统一行动。

（5）正式试验前，进行预测试，以检查仪器设备、测量线路的工作状态，确定测量放大器的放大系数等。

3.2.2.2加载方案与实施

（1）动载试验加载工况

1）速度为10～40km/h的行车冲击系数；

2）速度为5～30km/h、高度为7.5cm的三角木跳车冲击系数。

（2）动载试验测试内容及测点布置

1）测试内容

1、桥梁自振频率、阻尼；

2、冲击系数、动应变。

3、主梁加速度响应。

2）测点布置

1、将静载试验中上下游主梁跨中和L/4、3L/4截面上下两个应力测点作为动应力测点；共有32个动应力测点。

2、在上下游主梁跨中和L/4、3L/4处分别安装横向、垂向加速度传感器，桥面跨中上下游布置横向垂向加速度传感器，共计32个加速度测点。

（3）动载试验测试方法及仪器

1）动力荷载试验的测试系统的选择

一般可采用电磁式测试系统、压电式测试系统、电阻应变式测试系统或光电式测试系统。在选择测试系统时，应注意选择测振仪器的技术指标，使传感器、放大器、记录装置组成的测试系统的灵敏度、动态范围、幅频特性和幅值范围等技术指标满足被测结构动力特性范围的要求。测试仪表精度应不大于预计测量值的10％。

2）动载试验方法

1、脉动试验

在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应。脉动试验主要测定桥跨结构下列固有模态频率，振型和临界阻尼比。梁体的侧弯一阶正对称（fi）和一阶反对称（fj）、竖弯一阶正对称（fk）和一阶反对称（fl）固有模态振型参数。

2、无障碍行车试验

在桥面无任何障碍的情况下，用1辆重载汽车（自重约300kN）沿试验跨桥面中轴线，以5、10、20、30、40km/h……的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。

3、跳车试验

荷载及其作用方法与无障碍行车试验相同。不同的是，需在桥跨结构跨中截面（A-A）处桥面上设置横断面为底宽30cm，矢高7.5cm三角木板，模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应。

（4）动载试验数据处理方法

拟采用脉动法或重车激振余振法进行自振频率测试，由加速度传感器作拾振器，经电荷放大到计算机内，然后进行FFT等处理，分析而得频谱函数曲线，进而提取固有频率等。

动应力是根据静载试验结果，在各种车速及工况下进行试验；截面冲击系数采用动应力来换算。