獨(dú)塔雙索面斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

楊玉盟

(安徽省七星工程測(cè)試有限公司,安徽 合肥 230000)

1 概述

斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁,是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系[1-3]。具有減小梁體內(nèi)彎矩,降低建筑高度,減輕結(jié)構(gòu)重量,節(jié)省了材料,跨越能力大等優(yōu)點(diǎn),因此備受設(shè)計(jì)者的青睞。

為了全面了解橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際工作、受力狀態(tài),最為直觀的方式即為橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)[4-6]。本文通過(guò)對(duì)實(shí)橋進(jìn)行試驗(yàn),掌握橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀況,為同類型的橋梁荷載試驗(yàn)提供參考依據(jù),并為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供真實(shí)的結(jié)構(gòu)案例。

2 工程背景

橋梁位于黃山市市府所在地屯溪區(qū)屯光鎮(zhèn),橫跨新安江南北兩岸,主橋?yàn)?130+110)m預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面塔墩梁固結(jié)獨(dú)塔斜拉橋。橋面橫向布置:2.5 m(人行道)+12.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+4 m(索塔區(qū))+12.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+2.5 m(人行道)=34.0 m。荷載等級(jí):城-A級(jí)。

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱五室截面,中軸線處梁高3.5 m,翼緣處梁高3 m,主梁頂面寬34 m,底面寬17 m;在非橋塔處,箱梁頂板厚0.25 m,錨索區(qū)箱梁頂板厚0.5 m,底板及斜腹板厚0.25 m,外直腹板厚0.4 m,內(nèi)直腹板厚0.6 m;橋塔處箱梁頂板厚0.6 m,錨索區(qū)箱梁頂板厚0.8 m,底板及斜腹板厚0.6 m,外直腹板厚0.6 m,內(nèi)直腹板厚0.8 m。

主塔為獨(dú)柱式空心矩形截面混凝土橋塔,橋塔總高76 m;橋塔順橋向?qū)挾葹? m,橫橋向厚度4 m,順橋向拉索面壁厚1.2 m,橫橋向壁厚0.75 m。斜拉索為鋼絞線束,單側(cè)19對(duì),全橋共76根。

該橋立面布置圖見(jiàn)圖1。

3 有限元模型

本橋采用MIDAS CIVIL軟件進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),全橋共劃分為356個(gè)節(jié)點(diǎn),312個(gè)單元,主橋橋墩與主梁固結(jié),模型如圖2所示。

4 靜載試驗(yàn)

4.1 主要控制截面、試驗(yàn)工況及加載效率

根據(jù)理論計(jì)算分析,確定橋梁靜載試驗(yàn)控制截面,按內(nèi)力等效原則進(jìn)行加載,本次靜載試驗(yàn)中各個(gè)試驗(yàn)工況的荷載效率滿足規(guī)范中所規(guī)定的0.85≤η≤1.05的要求[7]。

試驗(yàn)加載采用三軸后八輪載重汽車(前軸與中后軸間距3.5 m,兩后軸間距1.4 m,橫向軸距1.8 m),其前軸控制在(60±5) kN以內(nèi),后軸控制在(120±5)kN以內(nèi),單車總重量控制在(300±10)kN以內(nèi)[8]。主要控制截面如圖3所示，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，加載效率見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)工況

表2 加載效率

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

1-1截面、4-4截面分別布置5個(gè)變形測(cè)點(diǎn)和7個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

2-2截面共布置7個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

3-3截面在距橋面1.2 m處順橋向和橫橋向分別布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),順橋向編號(hào)為1號(hào)、橫橋向編號(hào)為2號(hào);5-5截面在塔頂布置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn),編號(hào)為1號(hào);N9索力采用索力動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 變形測(cè)量結(jié)果

變形測(cè)量結(jié)果如表3～表5所示。

表3 工況1作用下變形結(jié)果

表4 工況2作用下變形結(jié)果

表5 工況5作用下變形結(jié)果

由表3～表5可知:1)各試驗(yàn)工況下,主梁主要控制截面測(cè)點(diǎn)變形校驗(yàn)系數(shù)在0.74～0.94范圍內(nèi),均小于1。工況2作用下,主梁最大豎向變形為19.9 mm,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值L/500=260 mm[9],說(shuō)明主要控制截面的剛度滿足設(shè)計(jì)要求;2)各試驗(yàn)工況下,主梁主要控制截面測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形在0%～6.36%范圍內(nèi),均小于20%,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況下處于彈性工作狀態(tài)。

4.3.2 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

應(yīng)變測(cè)量結(jié)果如表6～表10所示。

表6 工況1作用下應(yīng)變結(jié)果

表7 工況2作用下應(yīng)變結(jié)果

表8 工況3作用下應(yīng)變結(jié)果

表9 工況4作用下應(yīng)變結(jié)果

表10 工況5作用下應(yīng)變結(jié)果

由表6～表10可知:1)各試驗(yàn)工況下,主梁主要控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.86范圍內(nèi),均小于1,說(shuō)明主要控制截面的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;2)各試驗(yàn)工況下,主梁主要控制截面測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形在0%～9.68%范圍內(nèi),均小于20%,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況下處于彈性工作狀態(tài)。

4.3.3 塔頂水平位移測(cè)量結(jié)果

塔頂水平位移測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 工況7作用下塔頂水平位移結(jié)果

由表11可知:工況7作用下塔頂水平位移校驗(yàn)系數(shù)小于1,說(shuō)明橋塔剛度滿足規(guī)范要求。

4.3.4 索力測(cè)量結(jié)果

索力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 工況6作用下索力結(jié)果

由表12可知:工況7作用下N9索力增量校驗(yàn)系數(shù)小于1,滿足規(guī)范要求,說(shuō)明斜拉索工作性能良好。

5 動(dòng)載試驗(yàn)

5.1 自振特性測(cè)試

通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn),記錄結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)時(shí)域信號(hào),通過(guò)傅里葉快速分析,獲得頻譜分析結(jié)果,得到橋跨結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率,了解橋跨結(jié)構(gòu)豎向自振特性。測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8及表13所示。

表13 實(shí)測(cè)頻率與理論頻率的比較

由圖6～圖8,表13可知,實(shí)測(cè)振型與理論振型基本相符,前3階實(shí)測(cè)頻率均大于理論頻率,阻尼比較小,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)各部件整體性能和技術(shù)狀況較好。

5.2 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

本次進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試是通過(guò)載重汽車分別以不同速度進(jìn)行跑車和剎車試驗(yàn)測(cè)試動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集在各種試驗(yàn)條件下測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線,通過(guò)對(duì)時(shí)程曲線分析可得到各試驗(yàn)條件下的最大動(dòng)應(yīng)變值,推算實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖9～圖12及表14所示。

由圖9～圖12,表14可知,實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)的平均值小于理論值,說(shuō)明該(130+110)m獨(dú)塔雙索面斜拉橋?qū)嶋H行車舒適度較好。

表14 實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)表

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)(130+110)m獨(dú)塔雙索面斜拉橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)計(jì)算與實(shí)測(cè),得出以下結(jié)論:

1)靜載試驗(yàn)工況下,主要控制截面測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)指標(biāo)(校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變形/應(yīng)變、塔頂水平位移、索力增量)均小于規(guī)范限值要求,表明橋梁在試驗(yàn)荷載作用下彈性工作狀態(tài)良好,主梁、主塔和拉索等受力合理。

2)試驗(yàn)橋跨實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本相符,實(shí)測(cè)頻率大于理論頻率,結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)各部件整體性能和技術(shù)狀況較好。

3)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小于理論沖擊系數(shù),說(shuō)明橋梁實(shí)際動(dòng)力效應(yīng)小于理論值,行車舒適度較好。

4)綜上所述,該(130+110)m獨(dú)塔雙索面斜拉橋強(qiáng)度、剛度具有一定的安全儲(chǔ)備,動(dòng)力性能良好,承載能力和工作性能滿足設(shè)計(jì)要求。