雙塔雙索面矮塔斜拉橋靜載試驗(yàn)分析

李強(qiáng)，孔祥勇，吳國(guó)帆

1．安徽省公路工程檢測(cè)中心，安徽 合肥 230051；2．橋梁與隧道工程檢測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051

雙塔雙索面矮塔斜拉橋靜載試驗(yàn)分析

李強(qiáng)1，2，孔祥勇1，2，吳國(guó)帆1，2

1．安徽省公路工程檢測(cè)中心，安徽 合肥 230051；2．橋梁與隧道工程檢測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051

針對(duì)宿州新汴河大橋主橋建立有限元模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)的理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定荷載試驗(yàn)的控制截面和試驗(yàn)工況.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，測(cè)試了最不利荷載下主梁與主塔的截面應(yīng)力、主梁撓度、斜拉索索力.將試驗(yàn)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析，應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)在0．24～0．93之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0．61～0．68之間，索力校驗(yàn)系數(shù)在0．25～0．58之間，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)值均小于理論計(jì)算結(jié)果.結(jié)果表明：該橋在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全的，具有良好的力學(xué)性能.

雙塔雙索面矮塔斜拉橋；靜載試驗(yàn)；撓度；索力.

0 引言

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，具有“塔矮、梁剛、索集中”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋型美觀，跨越能力大，近10年來(lái)，在全世界范圍內(nèi)已有近百座矮塔斜拉橋建成，其中在我國(guó)境內(nèi)的有50余座［1－2］.隨著矮塔斜拉橋迅猛發(fā)展速度，大量學(xué)者對(duì)矮塔斜拉橋的荷載試驗(yàn)進(jìn)行了深入的研究，姚惠發(fā)等［3］通過(guò)靜動(dòng)試驗(yàn)，研究了矮塔斜拉橋的橋梁變位、主梁與塔的應(yīng)力狀態(tài)、斜拉索索力、自振頻率、沖擊系數(shù)等靜動(dòng)特性.羅霆［4］研究了靜載作用下矮塔斜拉橋的橋梁撓度、應(yīng)力狀態(tài)、索力等特性.方宏等［5］對(duì)矮塔斜拉橋荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行了評(píng)定.但是矮塔斜拉橋荷載試驗(yàn)在選擇的橋型上主要集中在雙塔單索面矮塔斜拉橋.針對(duì)雙塔雙索面矮塔斜拉橋荷載試驗(yàn)研究較少.

為了豐富矮塔斜拉橋的荷載試驗(yàn)的技術(shù)資料，驗(yàn)證雙塔雙索面矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)理念的科學(xué)性及理論計(jì)算的合理性，推動(dòng)該類型矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)、建造質(zhì)量的技術(shù)進(jìn)步.本文針對(duì)宿州新汴河大橋主橋建立有限元模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)的理論計(jì)算，確定測(cè)試項(xiàng)目及加載方案；將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析.

1 工程概述

該橋全長(zhǎng)927 m，橋跨布置為3×30 m＋3×30 m＋4×30 m＋85 m＋145 m＋85 m＋4×28 m＋4×30 m＋3×30 m.其中主橋橋跨布置為85 m＋145 m＋85 m，橋型為三跨連續(xù)雙塔雙索面矮塔斜拉橋，主梁為單箱四室變截面預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，主塔為豎直塔形式，矩形截面鋼筋混凝土塔.主橋結(jié)構(gòu)形式為塔梁固結(jié)、梁墩分離體系.主橋下部采用樁接承臺(tái)墩柱形式，墩柱為門式框架墩.主橋橋梁布置見(jiàn)圖1所示.

圖1 主橋布置圖Fig.1 Layout diagram of main bridge

2 靜載荷試驗(yàn)

2.1 工況設(shè)置

利用橋梁有限元軟件MIDAS／Civil建立主橋（85 m＋145 m＋85 m）三跨連續(xù)雙塔雙索面矮塔斜拉橋模型，梁、塔采用梁?jiǎn)卧崩鞑捎描旒軉卧?，?jiàn)圖2.根據(jù)設(shè)計(jì)文件，采用公路－Ⅰ級(jí)作為驗(yàn)證荷載進(jìn)行靜載試驗(yàn)的理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5.根據(jù)《公路橋梁承載力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的規(guī)定，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果選擇了3個(gè)最不利位置作為主要內(nèi)力控制截面，見(jiàn)圖6所示；靜載試驗(yàn)工況，見(jiàn)表1.

圖2 橋梁有限元模型Fig.2 Finite element model of bridge

圖3 主梁彎矩包絡(luò)圖Fig.3 Envelope graph of bending moments on main beam

圖4 主塔彎矩包絡(luò)圖Fig.4 Envelope graph of bending moments on main beam main tower

圖5 斜拉索索力包絡(luò)圖Fig.5 Envelope graph of cable power on stay cables

圖6 荷載試驗(yàn)工況布置圖Fig.6 Layout diagram of load experiment conditions

表1 靜載試驗(yàn)工況一覽表Table 1 Schedule of static load test conditions

2.2 靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示.橋面撓度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8所示，綜合矮塔斜拉橋的特點(diǎn)和受力特征索力增量測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示.

圖7 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout diagram of strain tests

圖8 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Layout diagram of deflection test

圖9 索力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.9 Layout diagram of cable force measurement

2.3 車輛荷載橫向布置

該橋加載車輛橫向布置考慮中載和偏載兩種情況，如圖10～圖11所示，采用8輛加載車，每輛加載車質(zhì)量約40 t.分三級(jí)加載，即累計(jì)荷載分別為50%、80%和100%［6］.

圖10 中載布置圖Fig.1 0Layout diagram of load on the deck

圖11 偏載布置圖Fig.1 1Layout diagram of partial load on the deck

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力（應(yīng)變）結(jié)果分析

應(yīng)變（應(yīng)力）采用振弦式應(yīng)變計(jì)（BGK4000型）和應(yīng)變讀數(shù)儀（BGK－408型）進(jìn)行測(cè)試，量測(cè)精度為±0．1 με.各工況的應(yīng)變（應(yīng)力）實(shí)測(cè)值Se與理論值Sstat的比較如表2所示.通過(guò)分析可得在等效試驗(yàn)荷載作用下，箱梁應(yīng)變（應(yīng)力）校驗(yàn)系數(shù)在0．24～0．93之間，橋塔底面應(yīng)變（應(yīng)力）校驗(yàn)系數(shù)在0．31～0．54之間，均不大于理論分析計(jì)算值，說(shuō)明主梁、橋塔構(gòu)件性能較好，有一定的安全儲(chǔ)備；結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全的.校驗(yàn)系數(shù)偏小的原因可能是材料彈性模量高出設(shè)計(jì)值較多，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能好［7］.

3.2 撓度結(jié)果分析

撓度是橋梁受力性能的綜合體現(xiàn)，反映橋梁的安全性和承載能力.本次試驗(yàn)采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量，測(cè)量精度0．01 mm.各工況的撓度實(shí)測(cè)值Re與理論值Rstat的比較如表3所示.由表3可知，撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)分布在0．61～0．68之間.撓度實(shí)測(cè)結(jié)果表明該橋的縱向剛度滿足設(shè)計(jì)要求,也是矮塔斜拉橋較高剛度的體現(xiàn).

表2 應(yīng)力（應(yīng)變）實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Table 2 Comparison of measured and theoretical values of(strain)stress

表3 撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Table 3 Comparison of measured and theoretical values of deflection

3.3 索力結(jié)果分析

作為矮塔斜拉橋主要構(gòu)件之一的斜拉索，索力的大小與分布直接反映矮塔斜拉橋持久狀態(tài)下的內(nèi)力狀態(tài)，是評(píng)定其安全性和承載力能力的主要參數(shù).本次索力測(cè)試采用頻譜分析法，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4～表5.從數(shù)據(jù)可以看出，索力的實(shí)測(cè)值與理論值變化趨勢(shì)完全一致，活載作用下索力變化規(guī)律與設(shè)計(jì)基本相符，校驗(yàn)系數(shù)在0．25～0．58之間，滿足設(shè)計(jì)要求.索力實(shí)測(cè)結(jié)果表明在試驗(yàn)荷載作用下斜拉索分擔(dān)的荷載小于理論計(jì)算值，主梁與拉索分擔(dān)荷載的比例仍需進(jìn)一步研究.

表4 工況1下部分索力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Table 4 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 1

表5 工況4下部分索力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比Table 5 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 4

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該橋的靜載試驗(yàn)研究，靜載試驗(yàn)橋梁的應(yīng)力、撓度和索力實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明該橋在設(shè)計(jì)荷載作用下是安全的.雙塔雙索面矮塔斜拉橋作為新型的橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，其設(shè)計(jì)理論和方法有待進(jìn)一步研究.

致謝

感謝橋梁與隧道工程檢測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)本文給予的指導(dǎo)與幫助！

［1］施文杰．矮塔斜拉橋在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與實(shí)踐［J］．現(xiàn)代交通技術(shù)，2012，9（3）：22－25．

SHI Wen－jie．Developmentand practiceofextradosed bridge at home and abroad［J］．Modern Transportation Technology，2012，9（3）：22－25．（in Chinese）

［2］鄭漢．不同參數(shù)下雙塔雙索面矮塔斜拉橋靜動(dòng)力特性研究［D］．揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，2010．

ZHENG Han．Static and dynamic characteristics research on low－pylon cable－stayed bridge with twintower twin－cable－plane［D］．Yangzhou：Yangzhou University Architectural Institute of Science and Engineering，2010．（in Chinese）

［3］姚惠發(fā)，王軍文，張運(yùn)波．離石矮塔斜拉橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2007（4）：26－29．

YAO Hui－fa，WANG Jun－wen，ZHANG Yun－bo．Static and dynamic test research on lishi bridge with low－pylon cable－stayed［J］．Railway Engineering，2007（4）：26－29．（in Chinese）

［4］羅霆．矮塔斜拉橋靜荷載試驗(yàn)分析［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（32）：8081－8083．

LUO Ting．Short tower cable－stayed bridge static load experiment analysis［J］．Science Technology and Engineering，2011，11（32）：8081－8083．（in Chinese）

［5］方宏，孔祥勇．雙塔單索面矮塔斜拉橋的荷載試驗(yàn)應(yīng)用研究［J］．工程與建設(shè)，2013，27（4）：505－507．

FANG Hong，KONG Xiang－yong．Load experiment research on short tower cable－stayed bridge with twin towers single cable plane［J］．Engineering and Construction，2013，27（4）：505－507．（in Chinese）

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Ministry of Transportation Highway Research Institute．Test method for large span concrete bridge［M］．Beijing：China Communications Press Co．，Ltd．1982．（in Chinese）

［7］宋金強(qiáng)，朱宏平，黃民水．基于靜動(dòng)載試驗(yàn)的大型橋梁健康評(píng)估［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：57－60．

SONG Jin－qiang，ZHU Hong－ping，HUANG Minshui．Study on health assessment of large－scale bridge based on static and dynamic testing［J］．Journal of Wuhan Institute of Technology，2010，32（3）：57－60．（in Chinese）

Experiment analysis of static load of extradosed cable－stayed bridge with twin－tower twin－cable－plane

LI Qiang1，2，KONG Xiang－yong1，2，WU Guo－fan1，2
1．Anhui Test Center of Highway Engineering，Heifei 230051，China；2．Anhui Province Key Laboratory for Bridge and Tunnel Engineering Detection，Heifei 230051，China

The finite element model of the main bridge of Xinbian－h(huán)e river bridge in Suzhou was built for theoretical calculation of static load experiment，based on which the test conditions and control sections were determined．The section stress of the main beam and the main tower，the deflection of the main beam and the cable force increment were tested under the most disadvantage load in the static load experiment．The coefficients of stress calibration，deflection calibration and cable force calibration are 0．24－0．93，0．61－0．68 and 0．25－0．58 respectively，which are less than the theoretical calculation values．The results show that this bridge is safe with good rigidity and strength under the designed load．

extradossed bridge with twin towers and double cable planes；static load experiment strain；deflection；cable force

U446

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.11.005

1674－2869（2015）11－0020－07

本文編輯：龔曉寧

2015－08－21

李強(qiáng)（1981－），男，安徽蕭縣人，工程師，碩士.研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù).