公軌雙層混建高低塔斜拉橋靜載試驗(yàn)

白光亮，易炳疆，柯 鵬，樊祥君

(招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司，重慶 400067)

高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在公路斜拉橋中，近年在鐵路及軌道領(lǐng)域的運(yùn)用逐漸增多，為滿足結(jié)構(gòu)合理性與經(jīng)濟(jì)適用性，此種橋型主要為適應(yīng)合適的水文、地質(zhì)、地形(包括水底地形)條件下采用。

鋼桁梁斜拉橋在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，普遍出現(xiàn)在鐵路跨江通道及各類公軌兩用橋梁[1]上。近年來(lái)，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展及核心城市空間的快速壓縮，同一橋位布置多種交通形式尤為重要，鋼桁梁斜拉橋存在剛度大、跨越能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，極好吻合這一需求，得到了廣泛的運(yùn)用及發(fā)展。

高低塔雙層鋼桁梁斜拉橋[2]集合上述2種橋型特點(diǎn)[3]，主要運(yùn)用在特殊地形條件下的鐵路或公軌兩用橋梁上，目前國(guó)內(nèi)此種橋型較為稀少，而涉及公軌兩用的高低塔雙層混建的鋼桁梁斜拉橋[4-5]，目前國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有，重慶紅巖村嘉陵江大橋是最典型的該類型橋梁。此類橋型荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)復(fù)雜，控制因素較多，布載繁瑣，為合理吻合橋梁成橋狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)化加載布局，減少加載量，選擇合理加載時(shí)機(jī)，把不利因素降至最低，其荷載試驗(yàn)過(guò)程[6]結(jié)果對(duì)同類橋型具有重大的參考意義。

1 大橋結(jié)構(gòu)及靜載試驗(yàn)的特殊性

重慶紅巖村嘉陵江大橋全長(zhǎng)732.8 m，為雙索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋[7]，主梁為雙層設(shè)計(jì)，上層為城市快速路(雙向6車道)，下層為軌道交通5號(hào)線(雙線6節(jié)編組地鐵-A級(jí))+城市慢行交通系統(tǒng)(雙向4車道)，是重慶主城快速路網(wǎng)中“三縱線”的重要組成部分，該橋型是國(guó)內(nèi)少有的公軌雙層混建高低塔鋼桁梁斜拉橋。該橋主跨375 m，高低塔設(shè)計(jì)，為同類型橋梁跨度之最，全橋受力和變形與對(duì)稱橋梁區(qū)別較大。大橋布置如圖1所示。

由于下層軌道恒載為預(yù)留施工通道，暫未施工，為驗(yàn)證大橋在汽車及人群荷載作用下的受力性能，此次荷載試驗(yàn)為公路部分荷載驗(yàn)證試驗(yàn)，不包含軌道活載。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)高低塔公軌兩用鋼桁梁斜拉橋的荷載試驗(yàn)實(shí)例[8]較少，尤其對(duì)于部分交通荷載開放條件下的荷載試驗(yàn)[9]，因此，本次試驗(yàn)具有重要的工程指導(dǎo)性。

2 靜載試驗(yàn)控制要素

鋼桁梁斜拉橋主要受力構(gòu)件為主梁桁桿、拉索及主塔。加載分析時(shí)，主桁與拉索平行考慮，兼顧考慮索塔應(yīng)力及各項(xiàng)撓度影響因素。針對(duì)紅巖村大橋高低塔及非對(duì)稱性特點(diǎn)，其測(cè)試項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注主塔彎矩及縱向位移、拉索索力、主梁撓度及桁桿軸力[10]。

高低塔斜拉橋受力和變形具有不對(duì)稱性，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果分析，橋塔及斜拉索剛度基本不會(huì)改變最大下?lián)宵c(diǎn)的位置，最大撓度截面出現(xiàn)在跨中附近，主梁跨中側(cè)控制截面主要取高塔一側(cè)梁段，主梁最大正彎截面出現(xiàn)在無(wú)索區(qū)中部，過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)主塔的縱向偏位，具體控制因素見表1，各控制截面位置如圖1(a)所示。

表1 紅巖村嘉陵江大橋試驗(yàn)控制要素與測(cè)試項(xiàng)目Table 1 Test control elements and test iterms of Hongyancun Jialing River bridge

3 靜載試驗(yàn)方案

3.1 模型建立

本橋?yàn)殡p層公軌兩用橋，如圖1(b)所示，上層橋面為城市快速路，設(shè)計(jì)活載為城-A級(jí)，雙向6車道，下層橋面中部為雙向軌道交通，設(shè)計(jì)活載為6節(jié)編組地鐵-A級(jí)，軸重170 kN，兩側(cè)為7 m寬城市I級(jí)支路，設(shè)計(jì)活載為城-A級(jí)，考慮橫向折減系數(shù)0.5以及縱向折減系數(shù)0.97，上層橋面兩側(cè)設(shè)置的人群荷載為2.875 kN/m2。由于軌道部分建設(shè)滯后，根據(jù)要求，本次試驗(yàn)控制荷載僅包含公路及人群荷載，即上層橋面雙向6車道的城-A級(jí)汽車活載+上層人群荷載+下層橋面雙向4車道的城-A級(jí)汽車活載[11-12]。

為模擬現(xiàn)階段試驗(yàn)橋梁受力狀態(tài)，并進(jìn)行靜載試驗(yàn)布載，本次采用Midas/Civil軟件對(duì)大橋進(jìn)行整體數(shù)值計(jì)算，然后將理論布載數(shù)據(jù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，主要提取數(shù)據(jù)包括主梁主跨控制截面撓度及應(yīng)變、主塔應(yīng)變及偏位、拉索索力增量、下層水袋布置后全橋線形及索力。大橋整體分析有限元模型如圖2所示。

圖2 紅巖村嘉陵江大橋整體分析有限元模型Fig.2 Finite element model of Hongyancun Jialing River Bridge

3.2 試驗(yàn)方案

1) 成橋狀態(tài)模擬

荷載試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)在汽車及人群荷載作用下的工作性能，下層橋面的軌道結(jié)構(gòu)及其附屬部分(73.4 kN/m)未施工，因此荷載試驗(yàn)前，通過(guò)下層橋面布置水袋的方式來(lái)模擬下層橋面未施工二期恒載，從而形成成橋狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算模擬，水袋沿全橋通長(zhǎng)布置，尺寸取10 m×5 m×2.5 m，注水高度為1.47 m，詳細(xì)布置如圖3所示，水袋布置后大橋主梁線形與索力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比數(shù)據(jù)見表2、表3。限于篇幅，僅提供索力較大的拉索，即高塔5對(duì)，低塔3對(duì)。拉索編號(hào)H表示高塔，L表示低塔，A表示岸側(cè)，J表示江側(cè)，從塔往跨側(cè)編號(hào)。

從表2、表3可知，水袋布置后，全橋最大撓度與理論計(jì)算值相差14.4 mm，出現(xiàn)在上游側(cè)，距小樁號(hào)伸縮縫327 m處，各主要索力實(shí)測(cè)值與理論值偏差均小于10%，兩者吻合較好。表2、表3數(shù)據(jù)表明，部分完工橋梁通過(guò)下層布置水袋模擬成橋狀態(tài)的方式合理可行，可供參考。

表2 水袋布置后全橋線形數(shù)據(jù)Table 2 Linear data after the completion of water bag arrangement

表3 水袋布置后P3、P4主塔索力測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of cable force of P3 &P4 tower after water bag arrangement

2) 加載效率與用車量

秉持滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、用車量少、工況精簡(jiǎn)的原則[13]，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)加載工況，工況編號(hào)為G1～G4。加載用車為三軸重車，單車重量為350±10 kN，后軸為140 kN，前軸為70 kN，試驗(yàn)最大用車量為70臺(tái)，最少為30臺(tái)，為雙層布載，效率區(qū)間為0.85～1.02。每個(gè)工況囊括的控制截面及用車量見表4，表中控制截面編號(hào)對(duì)應(yīng)表1。

單位：cm

表4 紅巖村嘉陵江大橋加載效率及用車量Table 4 Loading efficiency and truck number of Hongyancun Jialing River bridge

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

4.1 主梁撓度測(cè)試結(jié)果

主梁撓度主要控制截面為K4、K5，由加載工況G3加載實(shí)現(xiàn)，為直觀體現(xiàn)加載工況下全橋撓度變化狀況，對(duì)主梁進(jìn)行全橋撓度測(cè)量，并繪制撓度曲線，如圖4所示，G3工況作用下K4、K5的實(shí)測(cè)撓度值見表5。

圖4 主梁全橋撓度實(shí)測(cè)曲線Fig.4 Measured deflection curve of main girder

由表5可知，主橋撓度試驗(yàn)工況下，K4、K5截面撓度最大值分別為-212.9 mm、-199.2 mm，校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.83～0.88，實(shí)測(cè)撓度曲線與理論值吻合良好，且均小于理論值，表明該橋剛度滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該橋最大撓度實(shí)測(cè)值出現(xiàn)在跨中截面K4，全橋主梁撓度曲線走向均勻，變形趨勢(shì)未見向某橋塔側(cè)偏移，表明高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性對(duì)全橋撓度控制截面位置影響較小。

表5 主梁主要控制截面撓度觀測(cè)結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)Table 5 Measurement results and calibration coefficients of deflection of control section of main girder

4.2 主梁應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

大橋主梁彎矩控制截面為K2、K4、K5，分別由工況G2、G3加載實(shí)現(xiàn)，各測(cè)試數(shù)據(jù)見表6。

由表6可知，在最大試驗(yàn)荷載作用下，K2截面桿件實(shí)測(cè)最大應(yīng)變?yōu)?154 με，K4截面桿件實(shí)測(cè)最大應(yīng)變?yōu)?115 με，K5截面桿件實(shí)測(cè)最大應(yīng)變?yōu)?125 με，校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.80～0.98，與理論計(jì)算值吻合較好，表明試驗(yàn)橋跨的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)K4截面(跨中截面)應(yīng)變小于K5截面應(yīng)變，表明主梁跨中受力控制截面有向矮塔側(cè)偏移趨勢(shì)，與理論數(shù)據(jù)吻合。

表6 主梁控制截面平均應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)Table 6 Average strain test results and calibration coefficient of control section of main girder

4.3 主塔應(yīng)變及變位測(cè)試結(jié)果

主塔應(yīng)變及變位控制截面為K8～K11，由工況G3加載實(shí)現(xiàn)，各測(cè)試數(shù)據(jù)見表7、表8。

表7 主塔彎矩控制截面K8、K9平均應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)Table 7 Average strain test results and calibration coefficient of bending moment control section of K8 &K9 of main tower

表8 塔頂位移控制截面K10、K11縱向偏位測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)Table 8 Longitudinal deviation test results and calibration coefficients of displacement control sections of K10 &K11 at tower top

由表7可知，試驗(yàn)荷載作用下，主塔彎矩控制截面實(shí)測(cè)最大應(yīng)變分別為40 με，校驗(yàn)系數(shù)介于0.63～0.89之間；由表8可知，索塔縱向偏位實(shí)測(cè)最大值為80 mm，校驗(yàn)系數(shù)位于0.73～0.89之間，兩者均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)可看到，高塔縱向位移實(shí)測(cè)值是矮塔的2倍，高低塔應(yīng)變實(shí)測(cè)值比較接近，表明在相近橫截面條件下，矮塔導(dǎo)致彎矩的縱向受力比高塔大。

4.4 拉索索力增量測(cè)試結(jié)果

1) 吊索索力增量測(cè)試

索力增量測(cè)試均在G3工況下實(shí)現(xiàn)，增量測(cè)試索號(hào)為HJ09、LJ07#拉索，截面編號(hào)依次為K12、K13，每根拉索由上下游2根索組成。索力測(cè)試方法為頻率法[14-15]，測(cè)試結(jié)果見表9。

表9 HJ09、LJ07#拉索索力增量測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)Table 9 Cable force increment test results and calibration coefficient of HJ09 &LJ07 cable

由表9可知，G3工況下，HJ09、LJ07#拉索索力增量實(shí)測(cè)最大值分別為683.3 kN和736.4 kN，校驗(yàn)范圍為0.71～0.76，滿足設(shè)計(jì)要求。由此可知，矮塔側(cè)索力大于高塔側(cè)，與前文分析的主塔受力趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

1) 水袋布置后，全橋最大撓度與理論計(jì)算值相差較小，各主要索力實(shí)測(cè)值與理論值偏差均小于10%，兩者吻合較好，表明部分完工橋梁通過(guò)下層布置水袋模擬成橋狀態(tài)的方式合理可行。

2) 靜載試驗(yàn)表明，全橋控制截面各測(cè)試參數(shù)實(shí)測(cè)值均小于理論值，校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.63～0.98，表明其受力性能滿足設(shè)計(jì)活載(上層城-A級(jí)汽車活載+上層人群荷載+下層城-A級(jí)汽車活載)使用要求，其試驗(yàn)方式及數(shù)據(jù)有重要參考意義。

3) 通過(guò)數(shù)據(jù)分析，高低塔斜拉橋應(yīng)變控制截面位于無(wú)索區(qū)中部，撓度控制截面位于主跨跨中，矮塔縱向受力大于高塔，其試驗(yàn)結(jié)果符合計(jì)算規(guī)律。