無背索獨(dú)塔斜拉橋靜力力學(xué)性能試驗(yàn)研究

程 功，伍建強(qiáng)

(1.云南第二公路橋梁工程有限公司，云南昆明 650205;2.江西省交通科學(xué)研究院，江西 南昌 330038)

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)榭鐝?09.601 m(主跨，鋼箱梁段)+(50+40)m(副孔，預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁段)的無背索獨(dú)塔斜拉橋。斜拉索共兩個索面，橫向索間距為0.9 m，均布置在中央分隔帶處;順橋向索距為13 m，呈豎琴形布置。索塔豎直高度111.89 m，在距橋面約30 m處分成兩肢，呈人字形。橋面橫向布置:0.25 m欄桿+2.0 m人行道+3.0 m非機(jī)動車道+0.25 m隔離帶+7.50 m機(jī)動車道+2.0 m拉索區(qū)+7.5 m機(jī)動車道+0.25 m隔離帶+3.0 m非機(jī)動車道+2.0 m人行道+0.25 m欄桿，橋面總寬28.0 m，在主塔處變寬至34 m。主橋下部構(gòu)造:主塔處采用圓形實(shí)體直嵌式基礎(chǔ)，輔助墩采用薄壁墩、樁基礎(chǔ)。設(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級(校核荷載為城—A級)，設(shè)計安全等級為一級。大橋立面及試驗(yàn)控制斷面布置見圖1。

圖1 大橋立面及試驗(yàn)控制斷面布置(單位:m)

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 試驗(yàn)計算

全橋運(yùn)營階段的內(nèi)力及加載效率按平面桿系模型計算分析［1］，采用有限位移理論(考慮結(jié)構(gòu)非線性)進(jìn)行斜拉橋初始平衡狀態(tài)分析，計算中考慮施工過程和實(shí)際橋梁的成橋內(nèi)力狀態(tài)［2-3］，梁、塔單元截面采用實(shí)際截面，索單元采用Enrst公式以考慮其垂度效應(yīng)，斜拉索在塔、梁錨固的偏心用剛臂單元模擬，求出合理的成橋狀態(tài)后進(jìn)行加載計算。各試驗(yàn)工況的理論值采用空間模型計算分析，分析的基礎(chǔ)為前一步得出的成橋狀態(tài)。空間模型采用索單元、梁單元及薄板單元分別模擬斜拉橋的斜拉索、主塔及主梁。平面桿系計算模型如圖2所示，空間計算模型如圖3所示。

圖2 平面計算模型

圖3 空間計算模型

2.2 試驗(yàn)加載工況及測試內(nèi)容

試驗(yàn)采用18輛三軸自卸載重車作為加載車輛，各輛重車均在33 t左右。因尚未正式通車，試驗(yàn)前使用部分加載車在橋上緩行幾次并停放，進(jìn)行預(yù)壓，以消除結(jié)構(gòu)塑性變形，并調(diào)試測試系統(tǒng)以進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。本次試驗(yàn)分8種測試工況:①主跨(鋼箱梁段)主梁正彎矩最大;②斜拉索索力最大;③50 m跨主梁正彎矩最大;④40 m跨主梁正彎矩最大;⑤主孔與50 m跨之間墩頂主梁負(fù)彎矩最大;⑥50 m與40 m跨之間墩頂主梁負(fù)彎矩最大;⑦索塔彎矩最大;⑧塔頂位移最大。

試驗(yàn)時采用偏載與對稱兩種加載方式，以研究結(jié)構(gòu)偏載和對稱加載工作性能。在影響線分析的基礎(chǔ)上，為縮短現(xiàn)場試驗(yàn)工作時間，將試驗(yàn)工況①、②合并處理，將工況⑦、⑧合并處理。各試驗(yàn)工況均采用4～5排(共18輛)重車進(jìn)行加載，通過適當(dāng)調(diào)整車輛縱距，使試驗(yàn)荷載達(dá)到加載效率。試驗(yàn)加載分級進(jìn)行，分級數(shù)不少于3級，通過控制加載車數(shù)量進(jìn)行加載分級。

2.3 測點(diǎn)布置

1)主梁應(yīng)力測點(diǎn)布置

主橋鋼箱梁L/2控制截面(Ⅰ-Ⅰ截面)頂板布置6個應(yīng)變花測點(diǎn)(T1～T6)，U形肋布置10個縱向應(yīng)變測點(diǎn)(L1～L10);底板外部布置2個應(yīng)變花測點(diǎn)(B2，B5)、4 個縱向應(yīng)變測點(diǎn)(B1，B3，B4，B6)，測點(diǎn)布置如圖4。

圖4 主跨鋼箱梁L/2控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

50 m跨最大正彎控制截面(0.4L控制截面Ⅱ-Ⅱ)及40 m跨最大正彎控制截面(0.3L控制截面Ⅲ-Ⅲ)梁底布置5個縱向應(yīng)變測點(diǎn)，如圖5所示。主跨與50 m跨之間墩頂及50 m與40 m跨之間墩頂主梁最大負(fù)彎矩控制截面梁底布置5個縱向應(yīng)變測點(diǎn)。

圖5 40 m及50 m跨控制截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

2)斜拉索索力測點(diǎn)布置

對全橋拉索在恒載下的索力進(jìn)行測試，并在工況②下對S5，S6，S7號索進(jìn)行測試(吊索編號由東岸至西岸依次編號)。

3)主梁撓度及橋面撓度測點(diǎn)布置

在主跨L/2控制截面、50 m跨0.4L控制截面及40 m跨0.3L控制截面處橋面上、中、下游橫橋向布置3個撓度測點(diǎn)。在橋面各吊索位置處上下游側(cè)分別布置撓度測點(diǎn)，如圖6。

圖6 主跨橋面撓度測點(diǎn)布置

4)塔頂位移測點(diǎn)布置

在主塔頂預(yù)先設(shè)置光學(xué)棱鏡，用精密全站儀監(jiān)測塔頂位移。

5)主塔根部截面應(yīng)力測點(diǎn)布置

在主塔根部截面(Ⅳ-Ⅳ截面)布置2個應(yīng)變測點(diǎn)，測試主塔控制截面混凝土應(yīng)變。

3 主要試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，各工況下主梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.63～0.78，主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.97，均滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》中的要求，說明主梁的抗彎強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計要求。卸載后彈性恢復(fù)非常好，說明主梁、主塔仍處于彈性工作狀態(tài)。試驗(yàn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)η偏低的原因較多，如箱梁剪滯效應(yīng)的影響、計算模型引起的誤差等［4］。偏載試驗(yàn)下，根據(jù)實(shí)測撓度計算主跨偏載系數(shù)為1.12～1.24，略偏大。偏載加載時最大試驗(yàn)荷載下部分試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的對比如表1所示。工況②測試結(jié)果如表2所示，工況⑧測試結(jié)果如表3所示。

表1(工況⑦)、表3中試驗(yàn)荷載下實(shí)測主塔根部截面應(yīng)力及主塔塔頂位移均未超過理論值，且應(yīng)力測試值的絕對值并不大，表明主塔的強(qiáng)度、剛度均達(dá)到設(shè)計預(yù)期。

由表2可見，實(shí)測拉索應(yīng)力增量校驗(yàn)系數(shù)在0.94～0.97，與理論計算值較為吻合，表明拉索工作與設(shè)計預(yù)期一致，拉索工作正常。

工況①主跨L/2測試斷面應(yīng)力變化規(guī)律見圖7。可見:由于受剪力滯效應(yīng)及箱梁頂面橫坡等因素的影響，頂、底板橫向應(yīng)變分布略有變化。受局部加載的影響，頂板U形肋下緣彎曲正應(yīng)力在橫橋向的分布變化稍大，這主要是因?yàn)橹苯邮苘囕喓奢d作用的頂板U形肋下緣應(yīng)力變化較大。

表1 偏載加載時最大試驗(yàn)荷載下部分試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對比

表2 工況②下部分實(shí)測索力增量

表3 工況⑧下實(shí)測位移

圖7 工況1主跨L/2測試斷面應(yīng)力變化規(guī)律

工況①主梁變形規(guī)律見圖8。可知:實(shí)測主跨橋梁豎向撓度曲線平順、光滑，實(shí)測值與理論值非常吻合，說明理論計算模型與實(shí)橋狀態(tài)非常接近。實(shí)際橋梁索、塔、梁間工作協(xié)調(diào)與理論預(yù)期一致。

圖8 工況①主梁變形規(guī)律

4 結(jié)論與建議

1)靜力試驗(yàn)表明，該橋具有足夠的強(qiáng)度、剛度和較好的偏載受力性能，實(shí)際結(jié)構(gòu)受力性能與理論計算大致吻合，各試驗(yàn)工況未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作異常，該橋滿足設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)承載能力要求。

2)主跨L/2測試斷面應(yīng)力橫向變化規(guī)律表明:鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)變受剪力滯效應(yīng)等因素的影響。因直接受車輪局部荷載的作用，頂板U形肋下緣彎曲正應(yīng)力在橫橋向的分布變化稍大。

3)從橋梁靜力受力的情況看，由于沒有背索，主塔在使用階段活載作用下產(chǎn)生較大的朝主跨方向的水平位移，主塔受力不平衡，建議類似橋型推廣設(shè)計時增設(shè)幾根背索，以“稀疏背索獨(dú)塔斜拉橋”作為設(shè)計探索方向，以使主塔受力平衡。

［1］交通部公路科學(xué)研究所，交通部公路局技術(shù)處，交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［Z］.北京:交通部公路科學(xué)研究所，1982.

［2］林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［3］華孝良，徐光輝.橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［4］胡強(qiáng)，劉建磊，袁磊.高贊大橋靜動載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2008(12):18-21.