大跨度獨(dú)塔雙索面斜拉橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

姜 軍，蒲黔輝，勾紅葉

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 工程概述

瀘州泰安長(zhǎng)江大橋是瀘州繞城高速公路的控制性工程。該橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)1 543 m，其中引橋?yàn)?5×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，主橋?yàn)?208+270+35+30)m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋。主橋總寬29.50 m，引橋總寬27.50 m，設(shè)計(jì)行車速度為60 km/h，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽—超20、掛—120級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。瀘州泰安長(zhǎng)江大橋?qū)嵕耙妶D1。

圖1 瀘州泰安長(zhǎng)江大橋?qū)嵕?/p>

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論和計(jì)算分析的可靠性，判斷斜拉橋的實(shí)際承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，掌握斜拉橋的組成部份(主梁、塔、拉索)在多種形式車輛動(dòng)荷載作用下的動(dòng)反應(yīng)并積累斜拉橋靜、動(dòng)力反應(yīng)的技術(shù)資料，推動(dòng)斜拉橋設(shè)計(jì)、施工、研究的技術(shù)進(jìn)步，本文針對(duì)瀘州泰安長(zhǎng)江大橋主橋進(jìn)行了理論分析以及靜、動(dòng)載試驗(yàn)研究。并將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果作了比較，結(jié)果表明瀘州泰安長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)計(jì)算可靠，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，同時(shí)結(jié)構(gòu)具有很好的力學(xué)性能[1]。

2 理論分析

瀘州泰安長(zhǎng)江大橋主橋的理論分析計(jì)算采用有限元方法。對(duì)于斜拉橋的一般計(jì)算，采用平面桿系結(jié)構(gòu)有限元方法，需考慮橫向作用的分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能及抗震研究采用空間桿系有限元方法。另外，為了更好地考慮斜纜索的整體空間效應(yīng)，還采用了索面單元，該單元能考慮主梁、塔和索的整體空間剛度，計(jì)算出偏載和其它荷載作用下主梁的扭轉(zhuǎn)及翹曲反應(yīng)。

關(guān)于非線性計(jì)算，纜索的垂度影響采用了修正彈性模量法(Ernst公式)，而結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響則采用動(dòng)態(tài)拖動(dòng)坐標(biāo)方法來處理[2]。

2.1 普通梁?jiǎn)卧?/h3>

對(duì)于一般空間梁?jiǎn)卧?，每?jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，其單元?jiǎng)偠葹?2×12的方陣。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的空間計(jì)算，如面外風(fēng)荷載、截面偏載及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)，要采用空間單元。

2.2 薄壁箱梁?jiǎn)卧?/h3>

一般空間梁?jiǎn)卧抗?jié)點(diǎn)有6個(gè)位移參數(shù)和6個(gè)桿端力參數(shù)。為了反應(yīng)薄壁箱梁的約束扭轉(zhuǎn)特征，必須增加1個(gè)力和1個(gè)位移參數(shù)，故其單元?jiǎng)偠葹?4×14的方陣。關(guān)于薄壁梁彈性階段的研究成果很多，而本文薄壁箱梁?jiǎn)卧奶攸c(diǎn)在于:①采用了能同時(shí)適用于開口和閉口薄壁結(jié)構(gòu)的彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能公式，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出的有限元公式對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)具有普遍的適用性;②選擇薄壁梁彎、扭微分方程的齊次解作為薄壁梁?jiǎn)卧奈灰撇逯岛瘮?shù)，得到了較為精確的薄壁梁?jiǎn)卧膯卧獎(jiǎng)偠染仃嚭蛶缀蝿偠染仃嚒Ｓ么朔椒▽?duì)箱梁進(jìn)行彈性階段的分析，避免了板殼元巨大的工作量，也克服了梁格分析方法物理概念模糊的缺陷。與有限條方法相比，該方法更易得到對(duì)結(jié)構(gòu)的總體認(rèn)識(shí)與建立明確的物理概念。

3 靜載試驗(yàn)

3.1 靜載加載設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載位置與加載工況的確定主要根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載在主梁、主塔上產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)值，按0.80～1.05的效率系數(shù)等效換算而得。盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率，同時(shí)應(yīng)考慮簡(jiǎn)化加載工況，縮短試驗(yàn)時(shí)間。每一加載工況依據(jù)某一檢驗(yàn)項(xiàng)目為主，兼顧其它檢驗(yàn)項(xiàng)目。瀘州泰安長(zhǎng)江大橋主要針對(duì)主橋主跨與邊跨主梁的正、負(fù)最大彎矩、主塔的最大負(fù)彎矩以及斜拉索最大索力作等效加載，靜載測(cè)點(diǎn)布置見圖2。加載過程中采用分級(jí)加載，既可以確保結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)可以測(cè)試偏載工況下結(jié)構(gòu)的受力狀況。

3.2 靜載測(cè)試內(nèi)容與方法

靜載加載工況下主要測(cè)試主梁、主塔應(yīng)力，斜拉索的索力增量，主梁撓度與主塔塔頂變位。應(yīng)力測(cè)試采用粘貼箔式應(yīng)變計(jì)，主梁B-B截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖2。由電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，溫度補(bǔ)償用擱置在測(cè)點(diǎn)附近事先貼好應(yīng)變花的混凝土塊實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償［3-4］。斜拉索索力增量采用激振測(cè)定法，即在加載前后分別對(duì)斜拉索的自振頻率進(jìn)行測(cè)量，利用斜拉索的幾何材料特性確定的彈性模量推測(cè)斜拉索力增量。幾何變位測(cè)量采用測(cè)距精度1 mm+2 ×10－6D(D為測(cè)距)，測(cè)角精度±2″的全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)四測(cè)回觀測(cè)。在試驗(yàn)過程中并用溫度槍對(duì)斜拉索、梁體、主塔進(jìn)行點(diǎn)溫度測(cè)量。

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

滿載工況下主梁對(duì)應(yīng)截面處的撓度測(cè)試結(jié)果見表1，偏載工況作用下主梁撓度實(shí)測(cè)值與偏載效應(yīng)見表2，主塔塔頂變位測(cè)試并與計(jì)算結(jié)果的比較見表3。表1至表3中撓度數(shù)據(jù)以向上為正，向下為負(fù)，塔偏以瀘州方向?yàn)檎?。?中E工況為主塔最大負(fù)彎矩工況。

表1 滿載工況下對(duì)應(yīng)截面撓度測(cè)試結(jié)果 cm

表2 偏載工況作用下主梁撓度實(shí)測(cè)值與偏載效應(yīng)

表3 滿載工況下主塔塔頂變位結(jié)果 cm

圖2 主梁B-B截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

A、B、C、D、E加載工況下?lián)隙鹊慕Y(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.79～0.87。各工況撓度的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，基本在合理范圍之內(nèi)，說明在試驗(yàn)荷載下結(jié)構(gòu)均處于彈性工作狀態(tài)，也說明主梁的剛度性能良好。偏載工況下，撓度的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于1.10～1.18之間。說明梁體受力有一定的偏載效應(yīng)，但并不顯著，表明箱梁的抗扭性能良好。在各滿載工況下，主塔塔頂變位的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.72～1.06之間，除B工況的校驗(yàn)系數(shù)為1.06外，其余工況均小于1.0，且基本處于合理范圍之內(nèi)。而B工況下塔頂變位的量值很小，因此認(rèn)為主塔具有較好的整體剛度。

斜拉索索力增量測(cè)點(diǎn)布置為對(duì)應(yīng)加載工況下，上、下游兩側(cè)各測(cè)試5～6對(duì)受力最不利斜拉索。在滿載工況下，邊跨加載A工況測(cè)試斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)介于0.66～0.88之間;主跨加載C工況測(cè)試斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)介于0.70～0.89之間。最大索力(主跨23號(hào)索)試驗(yàn)工況上下游索力增量校驗(yàn)系數(shù)分別為0.72和0.71。索力增量的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)處于合理范圍內(nèi)，說明索力增量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相符較好，表明斜拉索受力合理，符合設(shè)計(jì)要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

4.1 自振特性測(cè)試結(jié)果與分析

自振特性的理論分析采用大型有限元程序ANSYS建立空間梁桿單元模型作模態(tài)分析。橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)自振特性與理論計(jì)算值的比較見表4，自振頻率的實(shí)測(cè)值和理論值基本相符。存在一定偏差的原因主要是理論計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異以及測(cè)試誤差的影響。實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)阻尼較小，說明橋跨結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載激勵(lì)下為小阻尼振動(dòng)，這和斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式是一致的。

表4 實(shí)測(cè)自振頻率與理論計(jì)算比較表

4.2 行車激振結(jié)果與分析

無障礙行車是重車以10、20、…60 km/h的速度通過橋面，測(cè)試主梁A、C截面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。有障礙行車是重車以5、10、15、…30 km/h的速度通過設(shè)置障礙的橋面，測(cè)試主梁A、C截面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。行車激振下實(shí)測(cè)主梁動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線見圖3、圖4。

圖3 40 km/h無障礙行車時(shí)C截面上緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線

A截面無障礙行車測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(1+μ)介于1.04～1.15之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為40 km/h時(shí)，其值為1.15。C截面無障礙行車測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(1+μ)介于1.06～1.15之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為50 km/h時(shí)，其值為1.15?？梢姛o障礙行車對(duì)主梁的沖擊系數(shù)很小，說明當(dāng)橋面平整時(shí)，橋面行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小。

圖4 20 km/h障礙行車時(shí)C截面上緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線

A截面有障礙行車測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(1+μ)介于1.14～1.50之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為10 km/h時(shí)，其值為1.50，沖擊系數(shù)相對(duì)較大，說明行車對(duì)A截面處的沖擊作用明顯。C截面有障礙行車測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(1+μ)介于1.12～1.30之間，最大值出現(xiàn)在時(shí)速為15 km/h時(shí)，其值為1.30，沖擊系數(shù)也相對(duì)較大，說明行車對(duì)C截面的沖擊明顯。有障礙行車試驗(yàn)表明:當(dāng)橋面不平整時(shí)，橋面行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用將明顯增大。

車輛對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用緣于三個(gè)方面:車輛自身的振動(dòng)，橋面不平引起車輛的振動(dòng)，車輛作為移動(dòng)力對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的廣義擾動(dòng)力作用，而這三個(gè)作用又是相互耦合相互促進(jìn)的。對(duì)于公路橋梁來說，橋面不平整引起的沖擊作用則是主要的。

5 結(jié)論

由橋跨結(jié)構(gòu)靜力荷載試驗(yàn)與分析可知，結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài)。主梁、主塔的剛度性能良好，受力狀況合理，符合設(shè)計(jì)要求，斜拉索受力合理。橋跨結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)汽—超20，掛—120的荷載等級(jí)要求。

自振特性測(cè)試表明:橋跨結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力性能，符合設(shè)計(jì)要求。無障礙行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小，有障礙行車時(shí)沖擊作用較為明顯。建議應(yīng)盡力保持橋面平整，以減小行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用。

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