雙塔斜拉大橋橋梁載荷試驗(yàn)與分析

姜龍飛，武林林

(1.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司 昆明市 650217； 2.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司 成都市 610000)

0 引言

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)確定試驗(yàn)斷面、開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，在特定位置施加靜荷載，觀測(cè)其位移、應(yīng)變、裂縫等參數(shù)，依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的指標(biāo)，判斷荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能，是直接而又準(zhǔn)確的判斷手段[1-2]。通過(guò)試驗(yàn)可掌握橋跨結(jié)構(gòu)的靜力特性，判斷其能否繼續(xù)安全正常運(yùn)營(yíng)，為橋梁養(yǎng)護(hù)檔案管理工作的電子化、數(shù)據(jù)化和橋梁信息管理系統(tǒng)提供可靠的基礎(chǔ)資料[3-4]。

1 工程概況

JN大橋工程為市政道路，設(shè)計(jì)等級(jí)為城市主干路，采用雙向6車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h。工程分為三個(gè)部分，西引道、JN大橋主橋、南引橋，道路總長(zhǎng)約2050m，屬特大型橋梁，主橋采用雙塔斜拉橋型，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為31.5m，參見(jiàn)圖1。

圖1 JN大橋主橋示意及縱斷面測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

橋梁主橋長(zhǎng)為599.6m，橋跨組合為75m+75m+300m+75m+75m；采用對(duì)稱布置雙塔、雙面密索斜拉，主梁為倒梯形斷面預(yù)應(yīng)力混凝土梁，塔梁采用漂浮分離體系結(jié)構(gòu)。橋梁的約束體系兼顧其靜力受力和動(dòng)力分析情況，臺(tái)墩設(shè)置豎向拉應(yīng)力支座。針對(duì)橋梁位置特點(diǎn)，兼顧了適用、耐久和美觀。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)在試驗(yàn)靜荷載作用條件下，量測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)撓度和控制斷面應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測(cè)值。

(2)建立橋梁計(jì)算模型，獲取靜力狀況下試驗(yàn)斷面的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算值，比較分析其與實(shí)測(cè)值符合性。

(3)量測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)總體自振特性，獲取自振頻率并評(píng)價(jià)。

(4)在動(dòng)荷載作用條件下，量測(cè)橋梁動(dòng)力響應(yīng)特性并評(píng)定其動(dòng)力性能。

(5)為交工驗(yàn)收提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，并作為大橋的初始信息檔案。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)測(cè)試斷面應(yīng)布設(shè)于靜力荷載作用下最不利斷面，獲得橋梁各斷面的應(yīng)力應(yīng)變和擾度。試驗(yàn)針對(duì)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依照規(guī)范，確定相應(yīng)的測(cè)試內(nèi)容和工況見(jiàn)表1。

表1 主橋主要測(cè)試內(nèi)容

4 主橋靜載試驗(yàn)

4.1 斷面測(cè)點(diǎn)布置

4.1.1主梁撓度及變位測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)(圖2)

(1)主梁撓度測(cè)點(diǎn)布置設(shè)在中跨L/2、L/4、3L/4以及邊跨、次邊跨L/2附近斷面。

(2)主梁最大縱向位移測(cè)點(diǎn)設(shè)置在Z0#墩處梁端。

(3)塔頂最不利荷載作用變位測(cè)點(diǎn)布置在Z2#塔頂處。

此外，在中跨L/2斷面最大撓度工況測(cè)試時(shí)，增加該工況下的全橋撓度曲線測(cè)量。

圖2 主橋撓度與變位斷面測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

4.1.2應(yīng)變及索力增量測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

(1)箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)在中跨L/2、中跨L/4、中跨3L/4、次邊跨L/2、邊跨L/2附近斷面、主梁Z1#墩頂斷面。

(2)橋塔最不利荷載作用下應(yīng)變測(cè)點(diǎn)斷面布置在Z2#塔上塔柱與中塔柱分肢處。

(3)斜拉索力增量選取Z2#塔0#索和N24#索位置。

4.2 工況選取

根據(jù)招標(biāo)文件要求并結(jié)合以往類似橋梁的加載方案經(jīng)驗(yàn)，主橋各主要試驗(yàn)工況見(jiàn)表2所示，主要工況的載位見(jiàn)圖2所示。

4.3 加載效率與載位確定

4.3.1計(jì)算參數(shù)選取

設(shè)計(jì)荷載汽車荷載城—A級(jí)；人群荷載2.4kN/m2；計(jì)算車道為雙向6車道；橫向折減系數(shù)為6×0.55(6車道折減)=3.3；縱向折減系數(shù)為0.97；主梁采用C55混凝土，主塔采用C50混凝土；斜拉索采用Φs14.2高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa。

4.3.2計(jì)算模型

本次試驗(yàn)加載方案的確定，采用Midas Civil結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算，其中主梁、主塔離散為梁?jiǎn)卧?，斜拉索離散為桁架單元。

4.3.3試驗(yàn)荷載確定

(1)試驗(yàn)用加載車總重為300kN，后軸重110kN，前軸重80kN。

(2)試驗(yàn)等效荷載采用總重為300kN的三軸載重汽車加載方式，模擬設(shè)計(jì)活載形成橋梁內(nèi)力。

(3)對(duì)于各斷面測(cè)試項(xiàng)目，所需加載車的數(shù)量，應(yīng)視設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載等效換算而確定。

(4)參照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/TJ21-01—2015)的第4.4.2條規(guī)定，橋梁靜載試驗(yàn)效率ηq按下式計(jì)算獲得，其值宜為0.85～1.05之間。

表2 主橋靜力荷載試驗(yàn)加載工況

式中：Ss為靜載試驗(yàn)斷面內(nèi)力或位移的最大設(shè)計(jì)效應(yīng)值；S為靜載控制斷面內(nèi)力或位移的最不理效應(yīng)計(jì)算值；μ為沖擊系數(shù)值，應(yīng)依照規(guī)范規(guī)定取值。

4.3.4試驗(yàn)載位布置與荷載效率

參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)，采用有限元法建模，計(jì)算本橋試驗(yàn)載位和荷載試驗(yàn)加載效率，得知本橋的加載效率為0.85～1.05之間。

4.4 測(cè)試方法

(1)撓度：主橋主梁撓度測(cè)量在測(cè)試斷面處布置測(cè)點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀及3m銦鋼條形碼水準(zhǔn)標(biāo)尺按二等水準(zhǔn)施測(cè)。主橋撓度曲線測(cè)量沿中跨縱橋向八等分點(diǎn)、邊跨二等分布置測(cè)點(diǎn)。

(2)應(yīng)變：混凝土結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變，采用阻值為120Ω的應(yīng)變片，標(biāo)距按3×100mm黏貼，數(shù)據(jù)采集分析儀量測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)主梁梁端縱向位移:采用在墩頂伸縮縫位置處設(shè)置標(biāo)記，在試驗(yàn)過(guò)程中采用測(cè)距設(shè)備直接測(cè)讀標(biāo)記位移。

(4)橋塔縱橫偏位:本次測(cè)量采用高精度機(jī)器人型全站儀對(duì)主橋塔頂和塔身三維坐標(biāo)測(cè)量。

(5)索力增量:采用基于頻率法的索力動(dòng)測(cè)儀測(cè)試。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

4.5.1主橋撓度測(cè)試結(jié)果

在各工況滿載作用情形下，主橋控制斷面撓度的實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)介于0.69～0.90之間，撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明主橋鋼箱梁控制斷面豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求；各斷面卸載后相對(duì)殘余變形為4.0%～9.2%，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中主橋控制斷面為良好的彈性工作狀態(tài)。結(jié)果參見(jiàn)表3。

表3 各工況滿載作用下主橋撓度測(cè)試結(jié)果(節(jié)選)

典型工況6-1(中跨L/2最大撓度)試驗(yàn)荷載(對(duì)稱布載)作用下，主橋左、右兩側(cè)撓度變化曲線如圖3所示。由圖可知，主要試驗(yàn)工況加載撓度曲線基本平順，實(shí)測(cè)變形規(guī)律基本符合結(jié)構(gòu)受力特征。

圖3 工況6-1作用下主橋左右側(cè)測(cè)線撓曲變形圖

4.5.2控制斷面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果(節(jié)選)

(1)工況1-1(邊跨最大正彎矩對(duì)稱加載)：滿載作用下主橋邊跨最大正彎矩?cái)嗝娓鳒y(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)為0.60～0.89，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值。表明該控制斷面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后，測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?4.71%，表明試驗(yàn)過(guò)程中該斷面處于彈性工作狀態(tài)。

(2)工況2-1(次邊跨最大正彎矩對(duì)稱加載)：滿載作用下，主橋次邊跨跨中斷面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)校驗(yàn)系數(shù)為0.61～0.90，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明斷面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?4.0%，表明試驗(yàn)過(guò)程中斷面處于彈性工作狀態(tài)。

(3)工況3-1(主梁內(nèi)支點(diǎn)最大負(fù)彎矩對(duì)稱加載)：滿載作用下，主橋Z1#墩處梁體內(nèi)支點(diǎn)斷面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.87，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明該斷面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；卸載后最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?3.33%，表明試驗(yàn)過(guò)程斷面處于彈性工作狀態(tài)。

4.5.3主橋塔頂縱向最大水平位移

滿載作用下，3#橋塔實(shí)測(cè)最大偏位值為42.1mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.63～0.79，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，表明橋塔的縱向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5.4主橋梁端縱向漂移測(cè)試結(jié)果

滿載作用下，主橋梁端縱向偏移值為12.5mm、13.1mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.42～0.44，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明鋼箱梁縱向工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5.5索力增量測(cè)試結(jié)果

滿載作用下，實(shí)測(cè)斜拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.71～0.79，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，表明斜拉索工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)全橋主塔、斜拉索、主梁、支座及伸縮縫表觀狀況總體良好，未發(fā)現(xiàn)顯見(jiàn)性結(jié)構(gòu)性缺損。

(2)實(shí)測(cè)主橋靜載試驗(yàn)應(yīng)變及撓度測(cè)試項(xiàng)目荷載效率為0.85～1.05，滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)荷載效應(yīng)可反映設(shè)計(jì)規(guī)范基本可變荷載效應(yīng)的特征。

(3)主梁控制斷面豎向撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67～0.90，實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，表明主梁各測(cè)試斷面豎向剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)的相對(duì)殘余變形均小于20%，滿足規(guī)范限值要求，表明主橋主梁在試驗(yàn)過(guò)程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

(4)塔頂縱向偏位校驗(yàn)系數(shù)為0.63～0.79，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，表明主橋橋塔剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)實(shí)測(cè)的斜拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.71～0.79，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，表明主橋斜拉索工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于正常的工作狀態(tài)，未見(jiàn)異常情況；試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)新增結(jié)構(gòu)性損傷。

試驗(yàn)結(jié)果表明，目前JN大橋主橋結(jié)構(gòu)總體受力特征與理論計(jì)算基本一致，各控制斷面變形、應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)的相應(yīng)要求，橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均為良好。