斜塔斜拉橋靜載試驗(yàn)分析研究

馮 婉

(山西路橋集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030000)

1 橋梁概況

西安市主橋?yàn)楣こ虒?shí)例，該橋單塔式斜拉橋、半漂浮體系?？鐝讲贾脼?45 m+48 m+42 m。48 m+42 m為邊跨范圍，145 m為主跨范圍，如圖1所示。主橋橫斷面布置為：0.8 m(風(fēng)嘴)+1.1 m(拉索錨固區(qū))+0.25 m(人行道欄桿)+2 m(人行道)+10.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m(雙黃線)+10.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+2 m(人行道)+0.25 m(人行道欄桿)+1.1 m(拉索錨固區(qū))+0.8 m(風(fēng)嘴)，總寬29.8 m。[1]

主塔在主梁結(jié)構(gòu)以上部分高78 m，傾角75°，主塔采用拱形塔，主梁從塔中穿過。斜拉索采用密索布置形式，主跨立面布置21根斜索，索距6 m；邊跨布置21根斜索，索距3.8 m，拉索在主塔上間距自上而下由2.5 m漸變到3.8 m。在主跨主梁索距6.0 m，邊跨索距3.8 m，拉索采用扇形索形式，主跨拉索傾角為24.9°～47.5°，邊跨拉索傾角為46.3°～70.5°。斜拉索采用多股平行鋼絲成品索，斜拉索編號(hào)從主塔到鋼箱梁側(cè)(主跨)編號(hào)為C1～C21，從主塔到預(yù)應(yīng)力箱梁側(cè)編號(hào)為C1′～C21′。[1]

主梁采用混合梁形式，主梁的斷面形式根為雙箱雙室薄壁型斷面。主跨采用鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，混凝土等級(jí)為C50，結(jié)合位置位于主跨距主墩12.5 m處。荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級(jí)、人群4.0 kN/m2。峰值加速度0.2 g，特征周期0.45 s，設(shè)防烈度8°。[1]

2 控制斷面選擇

對(duì)于斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)計(jì)算得到的該橋在設(shè)計(jì)活荷載作用下的彎矩、應(yīng)變及主塔位移，并根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的相關(guān)要求，最終確定該橋在活載作用下主梁和索塔上最不利截面(控制截面)的具體位置，作為本次試驗(yàn)的測(cè)試截面。

(1)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

在箱梁底板及腹板布設(shè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，橫隔板在橋面中心線位置沿寬度方向布置橫橋向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。其中鋼箱主梁每個(gè)測(cè)試斷面設(shè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)6個(gè)，橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1個(gè)，邊跨混凝土箱梁測(cè)試斷面設(shè)置縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)6個(gè)，橫向測(cè)點(diǎn)1個(gè)，主塔塔根截面設(shè)置縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)3個(gè)，主塔測(cè)試斷面設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)12個(gè)。[1]

(2)撓度測(cè)點(diǎn)

撓度測(cè)點(diǎn)設(shè)置于主梁兩側(cè)，采用全站儀和水準(zhǔn)儀協(xié)同觀測(cè)主梁豎向變位及塔頂水平位移。主梁撓度及主塔變位測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，主梁撓度橫橋向測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。[1]

(3)主梁縱橋向變位測(cè)點(diǎn)

主梁縱橋向測(cè)試斷面布置于主跨，沿橫橋向上下游兩側(cè)護(hù)欄上各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用機(jī)電百分表進(jìn)行變位測(cè)量。[1]

(4)索塔塔頂變位測(cè)點(diǎn)

索塔塔頂變位測(cè)點(diǎn)設(shè)置于塔頂縱橋向兩端，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)。[1]

(5)斜拉索索力增量測(cè)點(diǎn)

各測(cè)試工況下，對(duì)典型截面部分斜拉索進(jìn)行索力增量測(cè)試，根據(jù)活載作用下的索力增量計(jì)算結(jié)果，選擇相應(yīng)的斜拉索作為索力增量的測(cè)試對(duì)象。斜拉索編號(hào)從主塔到鋼箱梁側(cè)(主跨)編號(hào)為C1～C21，從主塔到預(yù)應(yīng)力箱梁側(cè)編號(hào)為C1′～C21′。[1]

圖1 撓度測(cè)點(diǎn)橫橋向布置位置示意圖(單位：mm)

3 大橋靜載試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)工況

運(yùn)用靜載試驗(yàn)效率來評(píng)價(jià)靜載試驗(yàn)可靠度[4-6]，計(jì)算試驗(yàn)彎矩內(nèi)力值與設(shè)計(jì)值對(duì)比計(jì)算，確保該橋荷載效率滿足規(guī)范要求。各工況試驗(yàn)加載效率分析結(jié)果見表1，10種不同加載工況下的荷載效率均在1.0附近，說明本次加載效果良好。

表1 主要測(cè)試工況及測(cè)試內(nèi)容一覽表

分析表1所列出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出：在連續(xù)所給出的各10個(gè)工況測(cè)試截面在試驗(yàn)荷載下的加載效率基本滿足文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果符合荷載試驗(yàn)規(guī)程要求。

3.2 荷載選擇

為選擇合適的荷載，進(jìn)而全面測(cè)試加載效果的有效性。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用4輛35 t的重型車開展現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，各加載車型布置圖見表2。

表2 加載車輛軸重匯總

3.3 荷載試驗(yàn)結(jié)果

除此以外，本次還采用邁達(dá)斯有限元軟件建立了全橋有限元數(shù)值仿真分析模型，本次有限元采用兩單元建模，截面尺寸和荷載施加按照表中施加的工況進(jìn)行。

下面圖4和圖5給出了表1和表2中不同組合工況下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的應(yīng)變和撓度結(jié)果，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由圖可知，有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合較好。說明了本橋的位移和應(yīng)力均能夠滿足相關(guān)要求。

(1)索力增量檢測(cè)結(jié)果

本橋在工況10試驗(yàn)荷載作用下的索力增量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比詳見圖2～圖5。

(2)撓度檢測(cè)結(jié)果

本橋在工況1、2、3、7、8、9試驗(yàn)荷載作用下的各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值域計(jì)算值對(duì)比。

圖3 工況10上游段斜拉索索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線圖

圖4 工況10下游段斜拉索索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線圖

圖5 工況10下游段斜拉索索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線圖

(3)應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

本橋在工況1、2、3、4、5、6、7、8試驗(yàn)荷載作用下的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值域計(jì)算值對(duì)比。

橋梁在試驗(yàn)工況下索力增量檢驗(yàn)系數(shù)在0.55～0.84之間，撓度檢驗(yàn)系數(shù)在0.62～0.71之間，應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)在0.66～0.73之間，各測(cè)試截面索力增量、應(yīng)力、撓度(變位)等測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的漸變趨勢(shì)均與理論計(jì)算吻合，均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

(1)橋梁運(yùn)營過程中，試驗(yàn)測(cè)試的關(guān)鍵截面的內(nèi)力和變形均為控制關(guān)鍵的受力截面，數(shù)據(jù)真實(shí)有效能夠反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況。

(2)各荷載組合下，主梁最大豎向撓度110 mm小于規(guī)范規(guī)定值L/400，營運(yùn)階段滿足要求；斜拉索安全系數(shù)[29]不應(yīng)小于2.5，即拉索容許應(yīng)力為0.4fpk=0.4×1 670=668 MPa，斜拉索在荷載組合最不利工況應(yīng)力為665 MPa，營運(yùn)階段斜拉索滿足要求。

(3)溫度整體升降溫對(duì)橋塔鋼混結(jié)合段影響較大。

(4)主梁在混凝土梁段上緣最大壓應(yīng)力為6.9 MPa，最大拉應(yīng)力為1.4 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為16.2 MPa，最大拉應(yīng)力為1.7 MPa；在主跨鋼箱梁段上緣最大壓應(yīng)力為39.5 MPa，最大拉應(yīng)力為11 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力為64.4 MPa，最大拉應(yīng)力為32.4 MPa。上述材料滿足規(guī)范要求。

(5)各偏載工況下，左、右側(cè)撓度和應(yīng)變漸變趨勢(shì)與理論計(jì)算相符，橫向抗扭剛度良好。

(6)全橋在荷載試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)裂縫，該橋抗裂性能良好。