某矮塔斜拉橋荷載試驗研究

彭　蓉，向桂兵

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

?

某矮塔斜拉橋荷載試驗研究

彭蓉，向桂兵

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

文章基于有限元分析理論，對某矮塔斜拉橋的靜力特性進行試驗分析，測試了靜載工況下主塔塔頂偏位、主梁撓度、拉索索力增量、主塔及主梁控制截面應(yīng)力。試驗結(jié)果表明，主塔及主梁在設(shè)計荷載作用下，均處于彈性工作狀態(tài)，橋梁整體工作性能良好。

矮塔斜拉橋；荷載試驗；剛度

0　引言

斜拉橋作為一種拉索體系，經(jīng)濟美觀的同時，比梁式橋的跨越能力更大，在市政橋梁中得到廣泛使用。為確保橋梁處于良好的運營狀態(tài)，在工程竣工驗收前，需對梁的結(jié)構(gòu)性能及使用功能進行評定，從而了解該橋結(jié)構(gòu)的受力情況和承載能力。橋梁的荷載試驗是判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載力和評價橋梁運營質(zhì)量的重要手段，通過驗證橋梁的承載能力，了解各構(gòu)件在設(shè)計荷載作用下的實際受力狀態(tài)，評價其工作性能，判斷橋梁是否滿足現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范及標準的要求。同時，通過橋梁的荷載試驗，可為同類型橋梁設(shè)計提供寶貴經(jīng)驗，為類似工程提供依據(jù)。

1　橋梁概況

該橋位于八步區(qū)賀江一橋下游，跨越賀江，北岸接八步區(qū)靈峰南路。橋梁采用獨塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土展翅箱梁斜拉橋，跨徑組成為(86+68)m，全長154 m。邊跨跨徑68 m，主跨跨徑86 m，邊、主跨比例為0.79。橋面以上塔高51 m。斜拉索在主梁上標準索距6.5 m，主塔上1.8 m。主梁采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土展翅箱梁結(jié)構(gòu)，C50混凝土，主梁頂板寬27.0 m，設(shè)1.5%橫坡。主塔為混凝土結(jié)構(gòu)，C50號混凝土，塔高自橋面以上49.4 m，從上到下共分五部分：塔尖區(qū)(似火炬狀，高3～11 m)、錨固區(qū)(塔柱為混凝土箱型截面，外輪廓尺寸7.5×3.5 m，高24.4 m)、中塔柱區(qū)(縱向相連的兩根扁形混凝土，單根扁形混凝土截面尺寸2.85×2.5 m，高14 m)、下塔柱區(qū)(四邊形空心截面，截面外輪廓尺寸為6.5×8 m)。主墩墩身采取單箱四室截面，四周設(shè)凹槽，墩四周設(shè)圓弧倒角，墩高994 cm。

2　實驗內(nèi)容及方法

靜載試驗工況所需的加載車數(shù)量及車輛加載位置，是由設(shè)計標準活荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按式(1)所定原則等效換算求得：

(1)

式中：η——靜力試驗荷載效率系數(shù)；

Sstat——試驗荷載作用下，檢測部位變位或力的計算值；

S——設(shè)計標準活荷載作用下，檢測部位變位或力的計算值(不計沖擊作用時)；

μ——設(shè)計取用的沖擊系數(shù)。

2.1有限元計算

為確定試驗橋梁在設(shè)計荷載作用下的測試截面內(nèi)力、位移及試驗車輛的配置等，必須掌握橋梁的影響線分布，為此，可以通過有限元方法進行計算。計算工具采用Midas/Civil軟件進行計算分析確定試驗車輛的數(shù)量、噸位和布載位置。

(1)混凝土

C50混凝土抗壓彈性模量Ec=3.45×104MPa；容重γ=26kN/m3。

(2)橋面系

雙向4車道，折減系數(shù)0.67；人群荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算，引橋為3.0×8kN/m，主橋為2.82×8kN/m。

2.2測試截面及測點布置

通過有限元計算，發(fā)現(xiàn)荷載作用于86m跨時，荷載產(chǎn)生的效應(yīng)明顯大于68m跨，故本次試驗僅對跨徑較大的86m跨進行分析。

2.2.1應(yīng)變測試截面及測點布置

應(yīng)變測點布置，加載控制截面布置共3個，最大正彎矩截面為A截面，最大負彎矩截面為C截面，主塔最大彎矩截面為E，具體位置如圖1所示。

圖1　應(yīng)變及位移截面位置圖(單位：cm)

(說明：圖中▍表示應(yīng)變控制截面；△表示位移控制截面；▽表示主塔偏位控制截面；紅線標出索表示最大索力增量控制索)

主梁應(yīng)變測試截面測點布置如圖2所示，每個截面布置8個應(yīng)變測點，其中1#～4#為正彎矩測試點，5#～8#為負彎矩測試點。

圖2　應(yīng)變控制截面布置圖

主塔測試截面上的應(yīng)變測點布置如圖3所示，共布置4個應(yīng)變測點。

圖3　主塔測試截面H上的應(yīng)變測點布置圖(單位：cm)

2.2.2位移測試截面及測點布置

(1)橋塔塔頂布置1個測點，對主塔縱橋向偏位進行觀測。測點位置如圖1所示，試驗前安裝好棱鏡，采用全站儀進行測試。

(2)主梁共布置7個測試截面，對主梁豎向位移進行觀測。測點位置如圖4所示，于每個測試截面兩側(cè)人行道路緣石邊緣各布置1個觀測點，共14個位移測點，采用精密水準儀進行測試。

圖4　主梁及橋塔位移控制截面布置圖(單位：cm)

(3)86 m跨最大索力增量測試拉索為M5和M5′斜拉索，對加載區(qū)間索力增量較大的斜拉索進行索力增量測試。測量索力增量的斜拉索有M3～M7斜拉索以及M3′～M7′斜拉索，共10根斜拉索。

以《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定的公路-Ⅰ級，按4車道布載，雙向4車道，折減系數(shù)0.67，人群荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》取用，根據(jù)彎矩值的大小確定試驗工況，本橋主橋共安排3個試驗工況，以檢驗主梁、橋塔控制截面承受對稱或偏載時的承載能力，試驗內(nèi)容、效率系數(shù)等如表1所示。

表1　靜載工況及效率系數(shù)一覽表

注：上表中彎矩單位為kN·m，索力單位為kN，位移單位為mm

3　試驗結(jié)果

3.1主梁應(yīng)變試驗結(jié)果

經(jīng)過試驗，主梁最大正彎矩A截面控制工況正載應(yīng)變校驗系數(shù)在0.508～0.822之間，正載應(yīng)變相對殘余最大值為9.46%；控制工況偏載應(yīng)變校驗系數(shù)在0.485～0.812之間，偏載應(yīng)變相對殘余最大值為2.00%；跨主梁最大負彎矩C截面控制工況正載應(yīng)變校驗系數(shù)在0.537～0.951之間，正載應(yīng)變相對殘余最大值為15.79%；控制工況偏載應(yīng)變校驗系數(shù)在0.512～0.967之間，偏載應(yīng)變相對殘余最大值為2.94%。具體結(jié)果如表2～3所示。

表2　工況1(正載)各控制截面測點應(yīng)變結(jié)果一覽表(με)

表3　工況2(偏載)各控制截面測點應(yīng)變結(jié)果一覽表(με)

3.2橋塔應(yīng)變試驗結(jié)果

經(jīng)過試驗，主塔最大彎矩H截面控制工況應(yīng)變校驗系數(shù)在0.784～0.961之間，相對殘余最大值為4.76%。具體結(jié)果如表4所示。

表4　工況1作用H截面應(yīng)變結(jié)果表(με)

3.3主梁位移試驗結(jié)果

經(jīng)過試驗，86m跨主梁最大實測撓度為24.26mm(向下)，不大于允許最大撓度值172mm(L/500)；86 m跨主梁撓度正載校驗系數(shù)在0.727～0.972之間，正載相對殘余在0.95%～13.93%之間；偏載撓度校驗系數(shù)在0.695～0.927之間，偏載相對殘余在1.43%～17.52%之間。具體結(jié)果如圖5～6所示。

圖5　工況1(正載)主梁撓度曲線圖

圖6　工況2(偏載)主梁撓度曲線圖

3.4主塔位移測量結(jié)果

橋塔頂縱向位移控制工況1(正載)作用下完江南岸移動7.8 mm，縱橋向位移校驗系數(shù)為0.586，相對殘余為11.36%。

3.5索力增量結(jié)果

(1)索力增量校驗系數(shù)：控制工況加載下，索力增量校驗系數(shù)分別在0.853～0.916。具體結(jié)果如表5所示。

(2)索力安全系數(shù)：

最大索力增量實測值199.4 kN；

恒載索力為2 814.4 kN；

累計索力3 013.8 kN；

鋼絲面積A=0.005 269 7 m2；

抗拉強度σb=1 860 MPa，由

(2)

所以安全系數(shù)為3.23，>2.5，安全可靠。

表5　最大索力增量控制工況1(正載)、工況2(偏載)索力增量結(jié)果表(kN)

4　結(jié)語

(1)主梁及主塔最彎矩截面控制工況應(yīng)變校驗系數(shù)均<1.00，相對殘余均<20%，說明結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在試驗工況下處于彈性受力狀態(tài)。

(2)主梁撓度校驗系數(shù)均<1.00，撓度相對殘余<20%，說明結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

(3)橋塔頂縱向位移控制工況縱橋向位移校驗系數(shù)為0.586，相對殘余為11.36%，說明橋塔受力性能良好，滿足設(shè)計要求。

(4)實測索力增量和理論計算值基本吻合，且有較高的安全儲備，說明索力增量滿足設(shè)計要求。

綜上所述，該矮塔斜拉橋強度和剛度滿足設(shè)計要求，使用性能良好。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]曾特新.大跨徑料拉橋荷裁試驗及靜動力分析[J].湖南交通科技，2005(3)：95-97.

[3]劉旭政，商岸帆，黃平明.抖拉橋待載試驗工況合并研究[J].中外公路，2011(4)：167-170.

Experimental Study on Load Test of An Extradosed Cable-stayed Bridge

PENG Rong，XIANG Gui-bing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Based on the theory of finite element analysis，this article analyzed the static characteristics of an extradossed cable-stayed bridge through the test，and tested the main-tower overhead deviation，main-beam deflection，cable force increment，main-tower and main-beam control section stress under static load conditions.The results showed that the main tower and main beam are in elastic working state under the design loads，with good overall working performance of bridge.

Extradosed cable-stayed bridge；Load test；Stiffness

2016-05-15

U448.27

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.012

1673-4874(2016)06-0043-04

彭蓉(1985—)，工程師，研究方向：橋梁檢測與加固設(shè)計；

向桂兵(1982—)，工程師，主要從事公路橋梁勘察設(shè)計工作。