“V”型塔雙索面斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

高 偉

(安徽省公路工程檢測中心;安徽省橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，斜拉橋由于其結(jié)構(gòu)輕巧，適用性強(qiáng)，利用梁、索和塔三者組合變化做成不同體系，既滿足一定大跨徑橋梁的需求性，又滿足工程建設(shè)的美觀性，同時(shí)隨著高強(qiáng)度斜拉索和正交異形板制造工藝等技術(shù)的成熟，使得其得到大量推廣。

由于斜拉橋是高次超靜定組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)變量多，施工控制要求嚴(yán)，技術(shù)難度高，拉索耐久性的挑戰(zhàn)日趨明顯，隨著跨徑增大，存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的問題，所以需要對建成的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，評估橋梁承載能力及剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 項(xiàng)目概述

主橋采用(108+70)m“V”型塔雙索面斜塔斜拉橋，橋梁整幅布置，標(biāo)準(zhǔn)寬度47 m，主梁采用鋼-混混合梁，塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高約18.5 m，塔柱順橋向?yàn)椤癡”型，橫橋向?yàn)椤啊摹毙?，主跨及邊跨均設(shè)置8對斜拉索。主墩采用承臺接群樁基礎(chǔ)，樁基采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)荷載等級：城-A級。

2 荷載試驗(yàn)

2.1 有限元模型

利用橋梁專用有限元計(jì)算分析軟件Midas/Civil 2017建立主橋混合梁塔梁固結(jié)體系斜拉橋模型，采用城-A級作為驗(yàn)證荷載，對其進(jìn)行靜動載試驗(yàn)的理論分析。鋼-混混合梁和橋塔采用梁單元模擬，計(jì)629個，斜拉索采用桁架單元模擬，計(jì)48個。

圖1 有限元計(jì)算模型

表1 主要材料結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 測試工況

根據(jù)《公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程》和《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，經(jīng)過設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載作用下的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩位置，建立內(nèi)力測試截面(7個)，對應(yīng)于測試截面確定靜力加載試驗(yàn)工況(9個)(圖2、表2)。

圖2 主橋彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

表2 測試工況和靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

2.3 測試截面和測點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載及試驗(yàn)荷載作用下的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩的位置(圖3)，確定測試截面進(jìn)行應(yīng)變和撓度測試(表3)。

圖3 測試截面位置圖(單位：cm)

表3 測試截面和內(nèi)容

由于篇幅有限，僅選取A截面鋼箱梁和B截面混凝土箱梁的應(yīng)變測點(diǎn)布置圖(圖4、圖5)。

圖4 A截面鋼箱梁應(yīng)變測點(diǎn)位置圖(單位：cm)

圖5 B截面混凝土箱梁應(yīng)變測點(diǎn)位置圖(單位：cm)

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 靜載試驗(yàn)

經(jīng)過計(jì)算分析，按城-A荷載標(biāo)準(zhǔn)，采用46 t的3軸卡車加載，為滿足控制截面達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的最大內(nèi)力，本次試驗(yàn)需要16輛加載車。根據(jù)模型計(jì)算的最大內(nèi)力截面影響線確定加載車輛位置，采用分級加載(圖6)。

圖6 試驗(yàn)加載車軸距及軸重(單位：cm)

由于篇幅有限，僅舉例以下工況數(shù)據(jù)：

工況1：第11跨A斷面鋼箱梁最大正彎矩偏載和中載測試及副塔S3、S4索力增量測試。

工況9：11#墩副塔塔頂縱向變位測試。

圖7 工況一A斷面處彎矩影響線圖

圖8 工況一A斷面處撓度影響線圖

2.4.2 動載試驗(yàn)

采用有限元軟件Midas/Civil 2017計(jì)算結(jié)構(gòu)前三階頻率和振型如圖9所示。

表4 第11跨最大正彎矩控制截面(工況1)偏載加載應(yīng)變數(shù)據(jù)

表5 第11跨鋼箱梁A斷面偏載(工況1)撓度數(shù)據(jù)

表6 11#副塔塔頂最大縱向位移工況9加載位移數(shù)據(jù)

表7 主橋斜拉索索力增量(工況1)實(shí)測數(shù)據(jù)表

圖9 前三階豎彎理論自振振型圖

根據(jù)實(shí)測各測點(diǎn)時(shí)域波形圖的頻譜分析結(jié)果，可得出前三階實(shí)測頻率與理論計(jì)算頻率之比，詳見表8。跳車激振試驗(yàn)時(shí)所采集的時(shí)程響應(yīng)曲線如圖10所示。

表8 實(shí)測自振頻率與理論計(jì)算自振頻率比較表

圖10 跳車動應(yīng)變響應(yīng)

2.5 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估

(1)本次靜力加載試驗(yàn)加載效率系數(shù)值為0.85～0.99，符合規(guī)范的要求范圍(0.85～1.05)。

(2)在等效試驗(yàn)荷載作用下，主橋試驗(yàn)聯(lián)各控制斷面在試驗(yàn)荷載作用下，鋼箱梁、混凝土箱梁和塔柱各控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.71～0.79,0.54～0.63和0.56～0.63；鋼箱梁和混凝土箱梁撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.82～0.86和0.79～0.82。

(3)在各工況下的分級加載和卸載過程中，控制截面均未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性受力裂縫，應(yīng)變、撓度在卸載結(jié)束后得到恢復(fù)，測點(diǎn)最大相對殘余變形為20%。

(4)跑車激勵試驗(yàn)在20～50 km/h的最大實(shí)測沖擊系數(shù)為0.046，低于規(guī)范要求,該橋的抗沖擊性能滿足設(shè)計(jì)要求。采用環(huán)境隨機(jī)振動法測的模態(tài)試驗(yàn)前3階頻率實(shí)測值和理論值對比(fmi/fdi)在1.03～1.17，實(shí)測頻率值偏大，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)恒載作用下實(shí)測索力與理論成橋索力最大偏差為-6.06%。

3 結(jié)束語

通過具體工程實(shí)例的荷載試驗(yàn)研究，各測試截面應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于規(guī)范限值，測點(diǎn)最大相對殘余變形≤20%，說明結(jié)構(gòu)中各主要受力位置在試驗(yàn)荷載作用下承載能力較好，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，處于彈性工作狀態(tài)。該橋滿足城-A級荷載標(biāo)準(zhǔn)。后期運(yùn)營過程中加強(qiáng)交通控制和定期檢查維護(hù)，嚴(yán)禁超載、超速車輛通行，確保結(jié)構(gòu)性能安全可靠。