石板溝長江大橋荷載試驗分析

黃志剛,張永水,劉預保

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.中鐵二局四公司,四川成都 610306)

石板溝長江大橋荷載試驗分析

黃志剛1,張永水1,劉預保2

(1.重慶交通大學,重慶 400074;2.中鐵二局四公司,四川成都 610306)

為保證涪陵石板溝長江大橋營運安全的可靠性,對該橋進行了荷載試驗。文中介紹了石板溝長江大橋荷載試驗的主要內容和方法,并結合理論計算,對該橋梁結構的實測應力、撓度和索力進行對比分析。試驗結果表明,該橋理論分析和設計計算方法可靠,橋梁結構處于安全狀態,其承載能力滿足設計要求。

斜拉橋; 應力; 變形; 靜載試驗

1 工程概況[1]

涪陵石板溝長江大橋主橋為200m+450m+200m的三跨連續雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。主梁為半漂浮體系,采用預應力混凝土雙肋截面,標準梁段梁肋高 2.5m,主梁兩肋間設橫隔梁,橫隔梁標準間距為 4m,連接梁肋和行車道板使之成為整體,主塔為花瓶形,主塔處塔梁間采用縱向彈性約束,墩塔全高179.82m。

下部基礎均采用鉆孔樁基礎,設計荷載:公路—1級,人群—2.5 kN/m2。斜拉索采用空間雙索面,每塔每索面共 28對斜拉索全橋共 256根斜拉索。斜拉索采用 7mm低松馳高強鍍鋅平行鋼絲,外包聚脂復合帶及熱擠黑色PE和彩色PE護套,鋼絲標準強度fpk=1 670MPa。(見圖1,圖2)

2 試驗項目及依據[2]

橋梁在通車前需要對橋梁進行荷載試驗,其目的是鑒定大橋結構的剛度、強度和整體受力性能,檢驗大橋是否符合設計要求及能否正常使用。荷載試驗項目包括現狀檢查、荷載試驗相關的結構計算、靜載試驗和動載試驗 4部分,其檢驗結果可用于橋梁承載能力的評價。荷載試驗主要參照交通部《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》;《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D 62—2004);《公路斜拉橋設計規范》(JTJ027-96)。本論文主要針對該橋通車試驗中的靜載試驗部分進行介紹與比較分析。

3 靜載試驗

3.1 控制截面及測點布置[3]

根據石板溝長江大橋結構體系的受力特點,選取主橋主梁江北片區側塔索面邊跨跨中截面(J1)、江北片區側塔根部截面(J2)L/4、江北片區側塔中跨1/4截面(J3)、中跨跨中合龍段截面(J4)塔頂截面(J5和J6)六個截面(如圖1所示)作為應力測試截面。

根據現場條件和測試斷面特點,J1～J4各截面混凝土靜應變測點主要沿主梁下緣布置,如圖 2所示。各截面設置 11個縱橋向測點,共布置應變測點 44個。

圖1 石板溝長江大橋應力測試截面布置應力圖(m)

圖2 主梁應力測點布置示意(m)

選取主橋主梁上的江北片區側塔索面邊跨和中跨的L/4、L/2、3L/4截面,中跨跨中截面,江東片區側塔索面中跨和邊跨的 1/2截面為標高控制點,如圖 3所示(F1～F10)。

圖3 石板溝長江大橋撓度測試截面布置(m)

3.2 測試工況及測試項目

全橋共進行了 7個工況的測試。

工況1:北邊跨主梁L/2截面J1對稱加載;

工況2:江北邊跨主梁最大撓度加載;

工況3:主跨L/4截面J3加載;

工況4:主跨跨中截面截面L/2(J4)對稱加載;

工況5:主跨跨中截面截面L/2(J4)偏載;

工況6:江北片區側塔根部截面J2對稱加載;

工況 7:主跨最大撓度加載。

在各個工況下測試了主梁應力、橫梁應力、主梁撓度、拉索索力、主塔截面應力、主塔偏位、支座位移、裂縫等。在各工況卸載后,測試了殘余變形和裂縫寬度。

3.3 測試方法與儀器[4]

(1)主梁、橫梁及主塔混凝土應力觀測:采用在測試點混凝土表面粘貼長標距應變片,以靜態電應變儀自動掃描觀測結構的應變,再換算為相應混凝土應力。

(2)索力觀測:采用相對測試法,即用加速度傳感器測定每根拉索的振動頻率再按彈性弦振理論換算成相應內力,換算時考慮索的實際長度,長索抗彎剛度修正、角度、PE護套附加質量、阻尼修正等因素。

(3)主塔塔頂偏位及全橋撓度曲線測量:采用全站儀進行觀測,全橋邊跨共設 4個撓度觀測截面、主跨共設 5個撓度觀測截面、橋塔設置一個撓度觀察面。

(4)混凝土構件裂縫觀測:在開裂部位安裝百分表進行裂縫寬度變化監測,并對可能出現裂縫的部位進行人工監測,一旦出現開裂,隨時用刻度放大鏡進行裂縫寬度監測。

3.4 試驗荷載及布置[2]

荷載試驗采用汽車荷載(兩軸載重汽車,軸距4.2m,總重 30 t)以標準設計荷載作用下內力值、撓度值等作為試驗控制值,按照各觀測截面內力或撓度等效原則,在其影響線上按最不利位置分級布載。按照《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》對基本荷載試驗的規定,本次荷載試驗各截面荷載效率系數 0.78～1.06之間,滿足試驗方法中 0.8≤η≤1.05的要求。為檢驗抗扭及偏載效果,主梁主跨跨中截面進行了偏載加載。每種工況分為四級加載,每級荷載就位后約 5min進行各項觀測,卸載后約 10 min進行殘余觀測和調零,再繼續下一個工況。

4 測試結果及比較

4.1 應力觀測結果與分析

表 1給出了各個工況下各受檢截面最大應力測試值、計算值和校驗系數。從表 1可看到,主梁各受檢截面最大應力校驗系數在 0.37～0.75之間,結構校驗系數較合理,表明大橋在各個不利情況下受力性能正常。另外,從各個截面在各工況下的應力看,主跨跨中截面在偏載作用下主梁偏載效應不明顯,結構抗扭剛度較大。在工況 1、工況 4、工況 7情況下,所有主梁正彎矩控制截面梁底應力分布上、下游基本對稱,表現為主梁整體受力,各控制截面測點底部拉應力值均小于相應工況下理論計算值,符合石板溝長江大橋結構受力變化規律。卸載后測試應變殘余也較小。從表 1還可看到,各截面橫梁校驗系數在 0.39～0.73之間,校驗系數較理想,橫梁強度滿足規范要求。

4.2 主梁撓度及塔頂偏位觀測結果與分析

表 2給出了工況 7主梁撓度測試結果。從表 2可以看到,工況7跨中截面實測撓度值為 331mm,約為L/1360,滿足規范要求。在各個工況橋面實測撓度曲線與計算圖形基本重合,橋面在荷載作用下的變形規律及變形量值與計算值相符,實測撓度值與計算值十分接近。所有工況卸載后恢復正常,最大殘余變形為 12.6mm,表明結構目前在彈性工作狀態,結構剛度滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規定的要求。所有截面觀測數據上、下游撓度值基本相同,說明其結構抗扭性能滿足設計要求。在北邊跨加載時,2號塔塔頂最大偏移量為 32mm,3號塔塔頂最大偏移量為10mm,校驗系數分別為 0.95、0.91主跨加載時,1號塔最大偏移量 74mm, 2號塔最大偏移量 56mm,最大校驗系數分別為 0.92、0.98。

1,2號主塔塔頂偏移趨勢也與計算結果一致,主塔塔頂偏位測試結果正常,主塔剛度滿足設計要求。

4.3 加載索力觀測結果與分析

表 3給出了在工況 4下中跨跨中 6對最長拉索的索力測試結果。

從表 3可以得到,在主跨L/2截面 8車加載時,實測 L/2截面附近 6對索(北中 35號～東中 35號)索力增量總和為2 627 kN,與對應計算值 2 796 kN相當,校驗系數為 0.94,表明索力正常,符合設計要求。

5 結 論

石板溝長江大橋荷載試驗數據顯示:靜載試驗加載時,主梁撓度和撓曲線形狀、塔頂水平位移、拉索索力、主梁應力及其分布規律與設計值接近或一致。在設計荷載標準的試驗荷載作用下,結構處于彈性工作狀態,各控制點的應力、剛度和變形恢復性能符合設計要求,該橋整體結構承載能力達到設計要求。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,1994

[2] YC4-4/1982大跨徑混凝土橋梁的試驗方法[S]

[3] 諶潤水,胡釗芳.公路橋梁荷載試驗[M].北京:人民交通出版社,2003

[4] 胡大林.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京:人民交通出版社,2000

U446.1

B

2010-03-18

黃志剛(1984～),男,碩士研究生,主要從事橋梁設計理論研究;張永水(1965～),男,教授,碩士研究生導師,主要從事橋梁設計理論研究。