斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

尹 波

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽(yáng)市 110003)

1 斜拉橋荷載試驗(yàn)的目的

斜拉橋結(jié)構(gòu)在力學(xué)上屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，是所有橋型中受力較為復(fù)雜的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。但由于斜拉橋索力的偏差和施工方法的不同，橋梁結(jié)構(gòu)的最終成橋受力狀態(tài)可能會(huì)有所差異，因此在斜拉橋建成時(shí)或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢測(cè)是非常必要的，其主要目的為：

(1)對(duì)斜拉橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測(cè)試主要橋孔的梁及索塔截面的應(yīng)力、變位，評(píng)估校驗(yàn)系數(shù)，確定實(shí)際承載能力。

(2)對(duì)斜拉橋進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)試主要橋孔的固有頻率、振型、沖擊系數(shù)及阻尼比，分析評(píng)估橋梁的動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)。

(3)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，提出橋梁的管養(yǎng)建議。

2 工程實(shí)例

某橋梁結(jié)構(gòu)為140m+110m(第1、2孔)的梭型獨(dú)塔斜拉橋，橋塔是由三個(gè)曲線形塔柱交錯(cuò)而成的梭形結(jié)構(gòu)，截面形式為鋼箱結(jié)構(gòu)，橋面以下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁在索塔中心線兩側(cè)32m范圍內(nèi)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余為鋼箱梁。該橋全寬32.3m(含箱梁兩側(cè)風(fēng)嘴)。140m跨的錨索區(qū)位于箱梁中心線兩側(cè)3m范圍內(nèi)，共13對(duì)拉索；110m跨錨索區(qū)位于箱梁兩側(cè)2m范圍內(nèi)，共13對(duì)拉索。中塔柱與主梁固結(jié)，在邊塔柱處，主梁下設(shè)盆式支座支撐于邊塔柱間的立柱上。

2.1 模型建立

本試驗(yàn)采用了空間有限元軟件Midas Civil對(duì)橋梁的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、分析，其中索塔及鋼箱梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，全橋共劃分成350個(gè)梁?jiǎn)卧?51個(gè)節(jié)點(diǎn)，斜拉索采用桿單元模擬，有限元離散模型見圖1。

圖1 斜拉橋有限元模型圖

2.2 靜載試驗(yàn)

2.2.1靜載試驗(yàn)工況設(shè)置

利用有限元模型計(jì)算結(jié)果，及根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)，確定此次斜拉橋的靜載試驗(yàn)工況為：

(1)斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處的最大正彎矩試驗(yàn)工況。

(2)斜拉橋2孔距塔柱根部中心線60m斷面處的最大正彎矩試驗(yàn)工況。

(3)塔梁固結(jié)段距塔柱根部9m斷面處最大負(fù)彎矩試驗(yàn)工況。

(4)斜拉橋塔頂部最大位移、變位試驗(yàn)工況。

(5)斜拉橋下塔柱的塔腳斷面處(塔柱與橋面交接處斷面)最大彎矩試驗(yàn)工況。

(6)1孔第7號(hào)斜拉索的最大拉力試驗(yàn)工況。

(7)2孔第6號(hào)斜拉索的最大拉力試驗(yàn)工況。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

(1)梁體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處、1孔距塔柱根部中心線9m截面，共3個(gè)主梁截面布置正應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，正彎矩截面每個(gè)截面布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，負(fù)彎矩截面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)正應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)點(diǎn)，見圖2。

圖2 梁體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

(2)主梁位移測(cè)點(diǎn)布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處，共2個(gè)梁體截面布置撓度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)截面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。

(3)主塔測(cè)點(diǎn)布置：在塔柱與橋面交接處的塔柱截面左、右側(cè)各布置1個(gè)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)點(diǎn)，全橋共設(shè)置2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；在塔柱頂部設(shè)置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，全橋共設(shè)置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。

(4)拉索索力測(cè)點(diǎn)布置：選擇1孔第7號(hào)拉索和2孔第6號(hào)拉索進(jìn)行索力變化檢測(cè)，共4個(gè)索力測(cè)點(diǎn)。

2.2.3加載方式及荷載試驗(yàn)效率

采用雙后軸的載重汽車作為該斜拉橋的靜載試驗(yàn)荷載加載配重，所有工況最多需要12輛加載車，具體參數(shù)及軸重如圖3所示。

圖3 加載車軸距及軸重圖(單位：m)

加載車數(shù)量據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的在斜拉橋上(截面)最不利內(nèi)力或變位值確定，按式(1)所確定的原則等效換算而得，不同截面其荷載效率將隨加載位置不同而改變，試驗(yàn)規(guī)程要求ηq介于0.95～1.05之間，該斜拉橋的內(nèi)力值及設(shè)計(jì)加載工況的荷載效率詳見表1。

(1)

式中：ηq—荷載效率值；

Ss—荷載作用下加載控制截面應(yīng)變或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；

S′—檢算荷載在加載控制截面應(yīng)變或變位的最不利效應(yīng)值；

μ—按規(guī)范計(jì)算取用的沖擊系數(shù)值。

依據(jù)該橋的設(shè)計(jì)文件，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，按4車道布置，橋梁結(jié)構(gòu)的荷載橫向折減系數(shù)值為0.67，偏載系數(shù)值為1.15，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)值μ=0.05。經(jīng)過(guò)有限元模型計(jì)算，各荷載試驗(yàn)工況的試驗(yàn)效率均滿足試驗(yàn)規(guī)范要求。

表1 靜載試驗(yàn)荷載效率表

2.2.4主梁測(cè)試結(jié)果

主梁各工況下的應(yīng)變、位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值的比較，得到以下結(jié)果：

(1)橋梁結(jié)構(gòu)主梁的位移校驗(yàn)系數(shù)介于0.47～0.57之間，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.48～0.71之間，均小于1.00，說(shuō)明主梁結(jié)構(gòu)具有足夠的整體剛度、強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

(2)各加載工況卸載后相對(duì)殘余變位、應(yīng)變均小于20%，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)。

2.2.5斜拉索測(cè)試結(jié)果

各工況作用下斜拉橋索力實(shí)測(cè)值與理論值的比較見表2、表3，索力增量結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)分別為0.95、0.92，拉索實(shí)測(cè)索力值與計(jì)算值吻合較好，說(shuō)明橋梁體系受力合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 1孔第7號(hào)索力增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較

表3 2孔第6號(hào)索力增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較

2.2.6主塔測(cè)試結(jié)果

(1)主塔偏位：主塔塔頂縱向偏位實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值見表4。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較，該橋主塔校驗(yàn)系數(shù)為0.36，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)受力變形與理論計(jì)算值總體吻合良好，主塔縱橋向變形一致性較好，表明該橋主塔具有足夠的剛度，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 塔頂縱向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較

(2)主塔應(yīng)變：主塔下塔柱根部截面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較見表5，塔柱截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.14、0.21，表明主塔在各試驗(yàn)工況作用下均處于彈性受力狀態(tài)，主塔具有足夠強(qiáng)度儲(chǔ)備，主塔受力合理。

表5 塔腳截面最大彎矩工況下應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的比較

2.3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)的主要目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性及在車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，其測(cè)試結(jié)果是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀況和承載特性的重要指標(biāo)。本次動(dòng)載試驗(yàn)主要進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)，測(cè)試的動(dòng)力特性參數(shù)包括頻率、振型、阻尼比、沖擊系數(shù)。

2.3.1脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)采用自然環(huán)境下的正常激勵(lì)，利用設(shè)置在橋面不同位置的拾振傳感器提取結(jié)構(gòu)在周邊環(huán)境和大地脈動(dòng)下產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)采集到的橋梁時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，進(jìn)而得到斜拉橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相應(yīng)參數(shù)。

脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置：在1孔、2孔的跨徑十六分點(diǎn)截面處，橋面兩側(cè)均設(shè)置豎直振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)，全橋66點(diǎn)，參考點(diǎn)選1孔橋面的跨中斷面附近。

圖4 橋梁一階扭轉(zhuǎn)、一階豎彎振型圖

表6 主梁實(shí)測(cè)固有頻率與理論計(jì)算頻率的比較

從表6中的檢測(cè)結(jié)果可以得到該橋?qū)崪y(cè)固有頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi比值為1.11，大于1.00。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2條確定該橋自振頻率的評(píng)定標(biāo)度為1，說(shuō)明斜拉橋結(jié)構(gòu)的豎向剛度較好。

2.3.2跑車試驗(yàn)

由一輛加載重汽車分別以20km/h的速度在橋面上行駛，橋梁產(chǎn)生具有附加質(zhì)量(車輛全重)的衰減自振，沖擊荷載按中心位置加載，在車輛離橋后橋梁結(jié)構(gòu)作無(wú)附加質(zhì)量的衰減自振，利用時(shí)域分析的豎向振動(dòng)波形(如圖5)，按式(2)計(jì)算的沖擊系數(shù)(1+μ)見表7。

(2)

圖5 跑車試驗(yàn)—第1孔豎向振動(dòng)波形(20km/h)

式中：fdmax、fdmin分別為實(shí)測(cè)最大和最小動(dòng)撓度。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)計(jì)算得出該橋第1孔沖擊系數(shù)如表7所示。第1孔實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為1.03，在規(guī)范取值范圍內(nèi)。

表7 跑車沖擊系數(shù)(1+μ)表

3 結(jié)語(yǔ)

斜拉橋作為常用的特殊結(jié)構(gòu)橋型，其受力較為復(fù)雜，因此在橋梁交工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)安排橋梁荷載試驗(yàn)，明確結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和維修加固提供依據(jù)，保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全。