鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

馬宏亮，曾廣武，蔡超勛

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋?yàn)殡p斜塔斜拉橋，跨徑布置為(40+42+42+51)m邊跨+450 m主跨+(51+42+42+40)m邊跨，主橋全長(zhǎng)800 m。主梁采用鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，主跨大部分(432 m)采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主跨其余部分及邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之間設(shè)置鋼混結(jié)合段過(guò)渡。主梁全寬37 m(包括兩側(cè)各1 m寬的風(fēng)嘴)，梁頂寬35 m，梁底寬22.6 m，梁高3 m。

主塔為A字形鋼塔，向主跨側(cè)傾斜12°，主梁在塔下穿過(guò)，主塔與主梁相交位置設(shè)置輔助墩及支座。10#主塔高132 m、11#主塔高128 m，伸入承臺(tái)上的塔靴并與之固結(jié)，主塔順橋向尺寸沿塔身從頂部5 m漸變至底部約10 m，橫橋向尺寸為3.3 m。

斜拉索采用空間扇形雙索面體系布置，全橋共有斜拉索68對(duì)，采用直徑7 mm的低松弛高強(qiáng)平行鍍鋅鋼絲成品索，外層防護(hù)采用熱擠雙層高密度PE防護(hù)套。斜拉索塔上錨固于鋼塔中箱室，梁上錨固區(qū)位于機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車人行混行道之間。

橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路—Ⅰ級(jí)汽車荷載［1］，雙向6車道，橫向折減系數(shù)0.55，縱向折減系數(shù)0.96，沖擊系數(shù)0.05。人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5 kN/m2，荷載系數(shù)1.15。橋梁抗震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防措施等級(jí)為8級(jí)。

對(duì)該橋進(jìn)行成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)，目的在于通過(guò)荷載試驗(yàn)了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評(píng)價(jià)橋梁的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量;檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，為工程竣工驗(yàn)收提供重要依據(jù)，為今后安全運(yùn)營(yíng)提供必要的技術(shù)參數(shù)［2-3］。

1 理論分析

4#大橋主橋的理論分析計(jì)算采用有限元方法，試驗(yàn)前利用大型有限元軟件ANSYS建立了該橋的空間有限元分析模型，對(duì)其靜動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了較全面的仿真計(jì)算［4］。

在該橋的有限元建模中，撓度、應(yīng)力與索力的計(jì)算采用空間桿、板及塊體單元，其中主梁、主塔鋼結(jié)構(gòu)部分全部采用板單元，主梁、主塔及基礎(chǔ)混凝土部分全部采用塊單元，斜拉索采用桿單元。全橋共161 701個(gè)單元，166 826個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 測(cè)試內(nèi)容

靜載試驗(yàn)測(cè)試的主要內(nèi)容包括:主梁和主塔控制截面應(yīng)力、主梁控制截面撓度、主塔塔頂縱向位移、斜拉索索力測(cè)試。圖1為靜載試驗(yàn)測(cè)試截面位置示意圖，1～6截面為主梁應(yīng)力測(cè)試截面，7截面為主塔應(yīng)力測(cè)試截面;A～D截面為主梁撓度測(cè)試截面，E截面為主塔塔頂縱向位移測(cè)試截面。截面內(nèi)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2、圖3和圖4。

動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試的主要內(nèi)容包括:脈動(dòng)測(cè)試和行車激振測(cè)試。脈動(dòng)測(cè)試主要測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。行車激振測(cè)試通過(guò)跑車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力。

2.2 加載工況

通過(guò)撓度和應(yīng)力影響線加載計(jì)算，根據(jù)控制內(nèi)力或變位等效原則，按照靜力試驗(yàn)荷載效率的要求(0.95≤η≤1.05)［5］確定本次靜力試驗(yàn)荷載。依據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，本次靜載試驗(yàn)荷載采用30輛重約360 kN的載重汽車進(jìn)行加載，分4個(gè)工況:工況1，主跨跨中最大正彎矩加載，加載效率1.01;工況2，10#塔支點(diǎn)最大負(fù)彎矩加載，加載效率0.95;工況3，10#塔塔身最大受力加載，加載效率0.97;工況4，南51 m邊跨跨中正彎矩加載，加載效率0.96。

圖1 靜載試驗(yàn)測(cè)試截面位置

圖2 1，2截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖3 3～6截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

圖4 7截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

本次動(dòng)載試驗(yàn)荷載采用1輛重約360 kN的載重汽車，在橋面無(wú)任何障礙的情況下，以10，20，30，40，50，60 km/h的速度在上游行車道駛過(guò)各測(cè)試截面位置。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)不同加載工況計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的撓度(位移)、應(yīng)力和索力，并與實(shí)測(cè)的各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(限于篇幅，本文僅以滿載工況為例)。表1為滿載工況下對(duì)應(yīng)截面撓度(位移)測(cè)試結(jié)果，表2、表3為滿載工況下主梁、主塔對(duì)應(yīng)截面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，表4為滿載工況下對(duì)應(yīng)截面索力測(cè)試結(jié)果。

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

表2 滿載工況下主梁對(duì)應(yīng)截面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

表3 滿載工況下主塔對(duì)應(yīng)截面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

表4 滿載工況下對(duì)應(yīng)截面索力測(cè)試結(jié)果 kN

3.1 撓度(位移)分析

從表1可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.888～0.983。10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.888～0.936;塔頂縱向位移實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為0.735～0.754。結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求［5］，說(shuō)明主跨和主塔的整體剛度都符合設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度實(shí)測(cè)值接近計(jì)算值，結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)為1.067～1.097，略＞1，考慮到測(cè)量值較小，測(cè)量精度會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位交流分析后確認(rèn)能滿足公路—Ⅰ級(jí)荷載的承載力要求。

主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度最大相對(duì)殘余變形為8.9%;10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度最大相對(duì)殘余變形為9.5%，塔頂縱向位移最大相對(duì)殘余變形為5.5%;南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度最大相對(duì)殘余變形為9.4%，均滿足規(guī)范規(guī)定的不超過(guò)20%的限值要求［5］，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

主跨跨中實(shí)測(cè)最大撓度為389.9 mm，實(shí)測(cè)撓跨比為L(zhǎng)/1 154，滿足規(guī)范規(guī)定的≤L/400的限值要求［5］;南51 m邊跨跨中實(shí)測(cè)最大撓度為3.4 mm，實(shí)測(cè)撓跨比為L(zhǎng)/15 000，滿足規(guī)范規(guī)定的≤L/500的限值要求［6］，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的靜力剛度較大，整體工作狀態(tài)良好。

由主跨跨中實(shí)測(cè)撓度與加載效率的關(guān)系曲線(圖5)可以看出，實(shí)測(cè)撓度與加載效率呈良好的線性關(guān)系;由塔頂實(shí)測(cè)縱向位移與加載效率的關(guān)系曲線(圖6)可以看出，實(shí)測(cè)縱向位移與加載效率呈良好的線性關(guān)系，說(shuō)明主梁和主塔均都于彈性工作階段，工作性能良好。

圖5 主跨跨中實(shí)測(cè)撓度與加載效率的關(guān)系

圖6 塔頂實(shí)測(cè)縱向位移與加載效率的關(guān)系

3.2 應(yīng)力分析

從表2可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主跨中主梁頂、底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于計(jì)算值，頂板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.977，底板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.799，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

10#塔支點(diǎn)最大負(fù)彎矩加載工況下，鋼混段混凝土截面主梁頂板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值接近計(jì)算值，頂板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為1.032，略＞1，考慮到施工結(jié)束時(shí)主梁頂板的預(yù)應(yīng)力值有較大富余，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位交流分析后確認(rèn)能滿足公路—Ⅰ級(jí)荷載的承載力要求;主梁底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值低于計(jì)算值，底板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.915，滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。鋼混段鋼箱梁截面主梁頂、底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于計(jì)算值，頂板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.581，底板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.892，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中主梁頂、底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于計(jì)算值，頂板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.886，底板的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.862，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

從表3可以看出，10#塔塔身最大受力加載工況下，10#塔塔底鋼構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均低于計(jì)算值，上游塔支截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.631，下游塔支截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.648，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

截面實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力隨加載效率呈良好的線性關(guān)系，實(shí)測(cè)應(yīng)力回零狀況良好，說(shuō)明主梁和主塔都處于彈性工作階段，整體工作性能良好，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 索力分析

從表4可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的安全系數(shù)為3.5～3.9;10#塔支點(diǎn)最大負(fù)彎矩加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的安全系數(shù)為3.2～3.5;10#塔塔身最大受力加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的安全系數(shù)為3.5～4.3，均滿足規(guī)范規(guī)定≥2.5 的限值要求［6］。

斜拉索的恒載索力遠(yuǎn)高于試驗(yàn)荷載本身所產(chǎn)生的索力增量。主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)為1.041～1.100;10#塔支點(diǎn)最大負(fù)彎矩加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.921～0.952;10#塔塔身最大受力加載工況下，對(duì)應(yīng)截面斜拉索的索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.976～1.023。索力增量校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，索力增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相符較好，說(shuō)明斜拉索受力合理，符合設(shè)計(jì)要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

橋跨結(jié)構(gòu)第一階振型為主梁豎向一階振動(dòng)，實(shí)測(cè)頻率為0.410 Hz，計(jì)算頻率為0.392 Hz;第二階振型為主梁橫向一階振動(dòng)，實(shí)測(cè)頻率為0.586 Hz，計(jì)算頻率為0.517 Hz。豎向自振頻率與橫向自振頻率的實(shí)測(cè)值均略高于計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)剛度不小于理論動(dòng)剛度，與理論期望值一致。

跑車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)主跨跨中截面振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。從表中可以看出，跑車試驗(yàn)時(shí)50 km/h及以下車速對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響沒(méi)有明顯差異，其沖擊系數(shù)約為1.05;而以60 km/h車速行駛時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)和沖擊系數(shù)明顯增大，其沖擊系數(shù)接近1.10。跳車(5 km/h)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)和沖擊系數(shù)放大效應(yīng)更明顯，沖擊系數(shù)達(dá)到1.22，但仍滿足＜1.30的規(guī)范限值要求［1］。跳車試驗(yàn)時(shí)的沖擊系數(shù)明顯高于跑車試驗(yàn)，說(shuō)明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會(huì)給結(jié)構(gòu)的工作狀況產(chǎn)生較嚴(yán)重的不利影響，應(yīng)隨時(shí)注意對(duì)橋面鋪裝的維護(hù)工作。

表5 主跨跨中截面振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋的靜動(dòng)載試驗(yàn)，以及對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行的整理分析表明，該橋在剛度、強(qiáng)度等方面符合設(shè)計(jì)要求，滿足公路—Ⅰ級(jí)荷載運(yùn)營(yíng)要求。

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