鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋成橋靜動載試驗研究

馬宏亮，曾廣武，蔡超勛

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋為雙斜塔斜拉橋，跨徑布置為(40+42+42+51)m邊跨+450 m主跨+(51+42+42+40)m邊跨，主橋全長800 m。主梁采用鋼與混凝土混合結構，主跨大部分(432 m)采用鋼箱梁結構，主跨其余部分及邊跨采用預應力混凝土箱梁結構，鋼箱梁與預應力混凝土箱梁之間設置鋼混結合段過渡。主梁全寬37 m(包括兩側各1 m寬的風嘴)，梁頂寬35 m，梁底寬22.6 m，梁高3 m。

主塔為A字形鋼塔，向主跨側傾斜12°，主梁在塔下穿過，主塔與主梁相交位置設置輔助墩及支座。10#主塔高132 m、11#主塔高128 m，伸入承臺上的塔靴并與之固結，主塔順橋向尺寸沿塔身從頂部5 m漸變至底部約10 m，橫橋向尺寸為3.3 m。

斜拉索采用空間扇形雙索面體系布置，全橋共有斜拉索68對，采用直徑7 mm的低松弛高強平行鍍鋅鋼絲成品索，外層防護采用熱擠雙層高密度PE防護套。斜拉索塔上錨固于鋼塔中箱室，梁上錨固區位于機動車道與非機動車人行混行道之間。

橋梁設計荷載標準為公路—Ⅰ級汽車荷載［1］，雙向6車道，橫向折減系數0.55，縱向折減系數0.96，沖擊系數0.05。人群荷載標準值為2.5 kN/m2，荷載系數1.15。橋梁抗震設防烈度為7度，抗震設防措施等級為8級。

對該橋進行成橋靜動載試驗，目的在于通過荷載試驗了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，從而判斷橋梁結構的安全承載能力及評價橋梁的運營質量;檢驗橋梁結構的設計與施工質量，為工程竣工驗收提供重要依據，為今后安全運營提供必要的技術參數［2-3］。

1 理論分析

4#大橋主橋的理論分析計算采用有限元方法，試驗前利用大型有限元軟件ANSYS建立了該橋的空間有限元分析模型，對其靜動力學性能進行了較全面的仿真計算［4］。

在該橋的有限元建模中，撓度、應力與索力的計算采用空間桿、板及塊體單元，其中主梁、主塔鋼結構部分全部采用板單元，主梁、主塔及基礎混凝土部分全部采用塊單元，斜拉索采用桿單元。全橋共161 701個單元，166 826個節點。

2 試驗概況

2.1 測試內容

靜載試驗測試的主要內容包括:主梁和主塔控制截面應力、主梁控制截面撓度、主塔塔頂縱向位移、斜拉索索力測試。圖1為靜載試驗測試截面位置示意圖，1～6截面為主梁應力測試截面，7截面為主塔應力測試截面;A～D截面為主梁撓度測試截面，E截面為主塔塔頂縱向位移測試截面。截面內應力測點布置見圖2、圖3和圖4。

動載試驗測試的主要內容包括:脈動測試和行車激振測試。脈動測試主要測試橋梁結構的自振頻率和振型。行車激振測試通過跑車試驗和跳車試驗測試橋梁結構的振動響應和動應力。

2.2 加載工況

通過撓度和應力影響線加載計算，根據控制內力或變位等效原則，按照靜力試驗荷載效率的要求(0.95≤η≤1.05)［5］確定本次靜力試驗荷載。依據對設計荷載效應的計算結果，本次靜載試驗荷載采用30輛重約360 kN的載重汽車進行加載，分4個工況:工況1，主跨跨中最大正彎矩加載，加載效率1.01;工況2，10#塔支點最大負彎矩加載，加載效率0.95;工況3，10#塔塔身最大受力加載，加載效率0.97;工況4，南51 m邊跨跨中正彎矩加載，加載效率0.96。

圖1 靜載試驗測試截面位置

圖2 1，2截面應力測點布置

圖3 3～6截面應力測點布置

圖4 7截面應力測點布置

本次動載試驗荷載采用1輛重約360 kN的載重汽車，在橋面無任何障礙的情況下，以10，20，30，40，50，60 km/h的速度在上游行車道駛過各測試截面位置。

3 靜載試驗結果與分析

針對不同加載工況計算出各測試點的撓度(位移)、應力和索力，并與實測的各項結果進行對比分析(限于篇幅，本文僅以滿載工況為例)。表1為滿載工況下對應截面撓度(位移)測試結果，表2、表3為滿載工況下主梁、主塔對應截面應力測試結果，表4為滿載工況下對應截面索力測試結果。

表1 滿載工況下對應截面撓度(位移)測試結果

表2 滿載工況下主梁對應截面應力測試結果 MPa

表3 滿載工況下主塔對應截面應力測試結果 MPa

表4 滿載工況下對應截面索力測試結果 kN

3.1 撓度(位移)分析

從表1可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度實測值小于計算值，結構校驗系數為0.888～0.983。10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度實測值小于計算值，結構校驗系數為0.888～0.936;塔頂縱向位移實測值小于計算值，結構校驗系數為0.735～0.754。結構校驗系數均滿足規范規定的≤1的限值要求［5］，說明主跨和主塔的整體剛度都符合設計和試驗要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度實測值接近計算值，結構校驗系數為1.067～1.097，略＞1，考慮到測量值較小，測量精度會對結果產生一定影響，經與設計單位交流分析后確認能滿足公路—Ⅰ級荷載的承載力要求。

主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度最大相對殘余變形為8.9%;10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度最大相對殘余變形為9.5%，塔頂縱向位移最大相對殘余變形為5.5%;南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度最大相對殘余變形為9.4%，均滿足規范規定的不超過20%的限值要求［5］，說明橋梁結構處于彈性工作狀態。

主跨跨中實測最大撓度為389.9 mm，實測撓跨比為L/1 154，滿足規范規定的≤L/400的限值要求［5］;南51 m邊跨跨中實測最大撓度為3.4 mm，實測撓跨比為L/15 000，滿足規范規定的≤L/500的限值要求［6］，說明結構的靜力剛度較大，整體工作狀態良好。

由主跨跨中實測撓度與加載效率的關系曲線(圖5)可以看出，實測撓度與加載效率呈良好的線性關系;由塔頂實測縱向位移與加載效率的關系曲線(圖6)可以看出，實測縱向位移與加載效率呈良好的線性關系，說明主梁和主塔均都于彈性工作階段，工作性能良好。

圖5 主跨跨中實測撓度與加載效率的關系

圖6 塔頂實測縱向位移與加載效率的關系

3.2 應力分析

從表2可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主跨中主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數為0.977，底板的應力校驗系數為0.799，均滿足規范規定的≤1的限值要求。

10#塔支點最大負彎矩加載工況下，鋼混段混凝土截面主梁頂板測點的應力實測值接近計算值，頂板的應力校驗系數為1.032，略＞1，考慮到施工結束時主梁頂板的預應力值有較大富余，經與設計單位交流分析后確認能滿足公路—Ⅰ級荷載的承載力要求;主梁底板測點的應力實測值低于計算值，底板的應力校驗系數為0.915，滿足規范規定的≤1的限值要求。鋼混段鋼箱梁截面主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數為0.581，底板的應力校驗系數為0.892，均滿足規范規定的≤1的限值要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數為0.886，底板的應力校驗系數為0.862，均滿足規范規定的≤1的限值要求。

從表3可以看出，10#塔塔身最大受力加載工況下，10#塔塔底鋼構件測點的應力實測值均低于計算值，上游塔支截面的應力校驗系數為0.631，下游塔支截面的應力校驗系數為0.648，均滿足規范規定的≤1的限值要求。

截面實測應力與計算應力隨加載效率呈良好的線性關系，實測應力回零狀況良好，說明主梁和主塔都處于彈性工作階段，整體工作性能良好，強度滿足設計要求。

3.3 索力分析

從表4可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數為3.5～3.9;10#塔支點最大負彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數為3.2～3.5;10#塔塔身最大受力加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數為3.5～4.3，均滿足規范規定≥2.5 的限值要求［6］。

斜拉索的恒載索力遠高于試驗荷載本身所產生的索力增量。主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數為1.041～1.100;10#塔支點最大負彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數為0.921～0.952;10#塔塔身最大受力加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數為0.976～1.023。索力增量校驗系數均處于合理范圍內，索力增量實測值與計算值相符較好，說明斜拉索受力合理，符合設計要求。

4 動載試驗結果與分析

橋跨結構第一階振型為主梁豎向一階振動，實測頻率為0.410 Hz，計算頻率為0.392 Hz;第二階振型為主梁橫向一階振動，實測頻率為0.586 Hz，計算頻率為0.517 Hz。豎向自振頻率與橫向自振頻率的實測值均略高于計算值，說明結構的實際動剛度不小于理論動剛度，與理論期望值一致。

跑車試驗和跳車試驗主跨跨中截面振動響應和動應力測試結果見表5。從表中可以看出，跑車試驗時50 km/h及以下車速對橋跨結構的影響沒有明顯差異，其沖擊系數約為1.05;而以60 km/h車速行駛時，振動響應和沖擊系數明顯增大，其沖擊系數接近1.10。跳車(5 km/h)試驗時，振動響應和沖擊系數放大效應更明顯，沖擊系數達到1.22，但仍滿足＜1.30的規范限值要求［1］。跳車試驗時的沖擊系數明顯高于跑車試驗，說明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會給結構的工作狀況產生較嚴重的不利影響，應隨時注意對橋面鋪裝的維護工作。

表5 主跨跨中截面振動響應和動應力測試結果

5 結論

通過對鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋的靜動載試驗，以及對大量測試數據進行的整理分析表明，該橋在剛度、強度等方面符合設計要求，滿足公路—Ⅰ級荷載運營要求。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］伍建強，張志勇，林汀，等.Y型塔雙索面斜拉懸臂組合結構橋力學性能試驗研究［J］.鐵道建筑，2012(9):19-22.

［3］宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［6］中華人民共和國交通部.JTG/T D65-01—2007 公路斜拉橋設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2007.