雙塔斜拉與連續(xù)剛構(gòu)組合橋荷載試驗研究

張永強 ，尹 翔 ，彭 松

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北武漢 430051；2.湖北省公路水運工程測試中心，湖北武漢 430051）

1 概況

湖北省某漢江公路大橋主橋為一座雙塔斜拉與連續(xù)剛構(gòu)組合橋，結(jié)構(gòu)采用塔、墩、梁固結(jié)體系。主橋全長494 m，跨徑布置為（128+238+128）m。主梁梁體采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室截面，頂板寬26.5 m，底板寬15.0 m，兩側(cè)懸臂長5.75 m，根部梁高7.2 m，跨中梁高3.4 m。橋塔為獨柱結(jié)構(gòu)，高34m。斜拉索按扇形布置，梁上索距4 m，塔上索距1m，全橋共72根斜拉索。

主橋橫向布置為0.75 m+10.75 m（機）+3.5 m（中央分隔帶）+10.75 m（機）+0.75 m。該橋設(shè)計車速為80 km/h，設(shè)計荷載為公路-I級。

通車前對該橋進行了成橋靜、動載試驗，驗證橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力和工作性能是否滿足設(shè)計及規(guī)范要求，測試橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性，以及在使用荷載作用下的動力性能[1-3]。

2 有限元模型

采用橋梁專用有限元程序MIDAS Civil 2006建立該橋有限元模型[4-6]（見圖1）。主梁、主塔和主墩均采用三維梁單元進行模擬，斜拉索采用空間索單元進行模擬，按橋梁結(jié)構(gòu)實際受力邊界條件進行約束，全橋共劃分426個節(jié)點，346個單元。

圖1 有限元模型示意圖

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗工況

靜力荷載試驗的工況必須充分地進行優(yōu)化，在滿足試驗要求的前提下，盡量減少加載工況的數(shù)量，提高試驗效率[7]。經(jīng)過等效計算，全橋共分為6個測試截面A～F（見圖2），7個主工況，8個輔助工況（和主工況一起試驗）。試驗共需要300kN車輛16臺，前軸重60kN，中、后軸各重120kN。試驗工況及加載內(nèi)容見表1所列。

3.2 試驗方法及測點布置

（1）應(yīng)力測試。主梁應(yīng)力測試截面為A～D和主塔應(yīng)力測試截面為E，應(yīng)力以測試順橋向為主，在各測試截面混凝土表面粘貼電阻式應(yīng)變片，利用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。測點布置見圖2所示。

（2）撓度測試。主梁撓度測點分別布置在箱梁頂面兩側(cè)，每側(cè)布置 9個測點 f1～f9、f1＇～f9＇，共18個測點（見圖2）。撓度測試采用精度為0.1 mm的連通管，并用激光撓度儀進行測量復(fù)核。

（3）塔頂偏位測試。塔頂偏位測試截面為F截面f10測點（見圖2），利用全站儀進行極坐標四測回觀測塔頂測點。

（4）梁端轉(zhuǎn)角測試。梁端轉(zhuǎn)角測點為5#、8#墩頂處梁端截面f11、f12測點（見圖2），采用電子傾角儀進行測量。

（5）索力增量測試。采用索力動測儀測試斜拉索振動頻率，再換算成索力。索力編號如圖2所示，選取斜拉索 NA5～NA8、SA5～SA8、NA16～NA18、SA16～SA18進行索力增量測試。

3.3 試驗結(jié)果分析

（1）主梁應(yīng)力和主塔應(yīng)力分析（見表2）。由表2可知，主梁實測最大拉應(yīng)力為1.56 MPa，最大壓應(yīng)力為-0.82 MPa；主塔實測最大拉應(yīng)力為1.28MPa，最大壓應(yīng)力為-1.28 MPa；最大應(yīng)力校驗系數(shù)在0.66～0.95之間，最大殘余變形為13.0%（由于篇幅有限，均未示出其殘余值），結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)合理，表明大橋在各個不利情況下受力性能正常。

圖2 靜載試驗測試截面、測點布置圖

表1 靜載試驗工況一覽表

表2 實測最大應(yīng)力值和計算值對比一覽表

（2）主梁撓度分析。主要工況主梁撓度實測值如表3所列。工況3作用下中跨跨中截面實測撓度值52.2 mm，約為L/4 500，滿足規(guī)范要求。各測點撓度校驗系數(shù)在0.57～0.99之間，最大殘余變形為12.8%，表明主梁處于彈性工作狀態(tài)。偏載工況2、4、6作用下（文中未示出），主梁撓度實測值和中載比較接近，最大偏載系數(shù)1.07。

表3 主梁撓度實測值和計算值對比一覽表

（3）塔頂偏位分析。工況7作用下，主塔最大縱向偏位實測值為15.6 mm，校驗系數(shù)為0.86（見表4）。主塔縱向偏位校驗系數(shù)在0.84～0.91之間，最大殘余變形為15.4%，表明主塔處于彈性工作狀態(tài)。

表4 主塔縱向偏位實測值和計算值對比一覽表

（4）梁端轉(zhuǎn)角分析。梁端轉(zhuǎn)角實測值如表5所列，梁端轉(zhuǎn)角校驗系數(shù)在0.76～0.90之間，最大殘余變形為11.8%，表明梁端約束正常。

（5）索力增量分析。最大索力增量出現(xiàn)于工況3（見表6），實測SA18最大索力增量219 kN，理論計算值為222kN，校驗系數(shù)為0.99。其余各工況實測索力增量校驗系數(shù)在0.91～0.99之間，索力變化較為均勻，在合理范圍內(nèi)。

4 動載試驗

4.1 自振特性分析

采用環(huán)境激勵法測試橋梁自振特性，具體通過在橋上布置高靈敏度的拾振器，長時間記錄環(huán)境激勵引起的結(jié)構(gòu)振動，然后進行頻譜分析，求出結(jié)構(gòu)自振特性[8]。

表5 梁端轉(zhuǎn)角實測值和計算值對比一覽表

表6 工況3索力增量實測值和計算值對比一覽表

實測1～4階振型（見圖3），實測自振特性（見表7）。主橋?qū)崪y頻率略大于理論計算頻率且振型一致，說明理論計算比較準確和該橋動力性能良好。實測阻尼比在0.009%～0.518%之間。

圖3 實測1～4階振型圖

表7 結(jié)構(gòu)自振特性實測和計算對比一覽表

4.2 沖擊系數(shù)分析

根據(jù)實測跑車應(yīng)變時程曲線，分析得出主橋?qū)崪y沖擊系數(shù)（見表8）。各跨實測沖擊系數(shù)在1.011～1.032之間，均小于設(shè)計沖擊系數(shù)1.050。

表8 主橋?qū)崪y沖擊系數(shù)1+μ一覽表

5 結(jié)論

（1）靜載試驗各工況作用下，主梁和主塔應(yīng)力、主梁撓度、塔頂偏位、梁端轉(zhuǎn)角及索力增量值均小于理論計算值，各測點校驗系數(shù)在0.59～0.99范圍內(nèi)，且殘余在0～15.4%之間。說明結(jié)構(gòu)在靜載試驗下處于彈性受力狀態(tài)，主梁、主塔的強度和剛度滿足設(shè)計要求。

（2）偏載工況作用下，主梁撓度實測值和中載比較接近，最大偏載系數(shù)1.07，低于偏載系數(shù)設(shè)計值1.15。

（3）主橋1階實測頻率0.420 Hz大于其理論值0.406 Hz，說明該橋整體剛度滿足設(shè)計要求。

（4）跑車荷載作用下，各跨實測沖擊系數(shù)在1.011～1.032之間，均小于設(shè)計沖擊系數(shù)1.050。

（5）該斜拉橋在試驗荷載作用下，主橋靜、動力性能良好，承載力滿足設(shè)計要求。

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