重慶東水門公軌兩用斜拉橋荷載試驗研究

2016-10-28 07:57:16伍靜單積明向勇

公路與汽運 2016年1期

伍靜，單積明，向勇

（北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，重慶　401121）

重慶東水門公軌兩用斜拉橋荷載試驗研究

伍靜，單積明，向勇

（北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，重慶401121）

重慶東水門大橋為跨越長江的雙塔單索面斜拉橋，分為上、下兩層，上層設置人行道及雙向四車道，下層是雙向軌道線。為了解大橋的實際結構受力狀況，判斷其實際承載能力，評價大橋在設計使用荷載下的結構性能，采用等效荷載加載試驗模擬斜拉橋在最不利荷載作用下的工作狀態，測試并分析各靜載工況下主梁撓度、主梁與主墩控制截面應力、斜拉索索力及索塔偏位；通過動力試驗了解橋跨結構的自振特性及其在長期使用荷載作用下的動力性能，分析橋跨結構在行車荷載下的沖擊作用，為橋梁維修、管理提供技術依據。

橋梁；斜拉橋；雙塔單索面；鋼桁架；承載能力；荷載試驗

1　工程概況

東水門大橋主橋為222.5 m+445 m+190.5 m雙塔單索面斜拉橋，全長962 m。主梁采用雙層桁架梁，標準截面梁寬24 m，梁高12 m。主橋橋寬24 m，上層為雙向四車道，下層為雙線軌道通行。橫向布置，上層為3 m人行道+8 m車行道+2 m拉索區+8 m車行道+3 m人行道，下層為1.8 m檢修道+10.4 m雙向軌道+1.8 m檢修道。主梁桁架采用變高度的三角形桁式，全橋采用等節間布置，節間長度16 m。上、下層橋面均采用正交異性鋼橋面板。下層橋面橫橋向共設置兩組地鐵縱梁，中心間距為4.6 m，地鐵縱梁上設置整體式砼道床板和60 kg/m鋼軌作為地鐵走行軌道。該橋立面和標準橫斷面布置見圖1～3。

圖1　橋梁立面與靜載試驗測試截面示意圖（單位：cm）

設計荷載標準：汽車荷載為雙向四車道，公路-Ⅰ級；軌道荷載為雙向軌道交通，國家標準B1車型，6輛車編組，軸重140 k N，編組總長112.4 m；計算分布荷載29.9 k N/m；人群荷載，全橋總體計算時荷載集度采用2.875 k N/m2。

圖2　拉索橫梁斷面（單位：mm）

圖3　主梁標準斷面（單位：mm）

2　有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 2012進行建模分析。計算時主梁采用Q345鋼材，彈性模量Ec=2.06× 105MPa，容重γ=78 k N/m3；主塔采用C50砼，彈性模量Ec=3.55×104MPa，容重γ=26 k N/m3。建模時主梁、主塔采用空間梁單元模擬，主梁采用單主梁方式，通過剛臂與斜拉索連接，拉索采用桁架單元，分別計算試驗荷載對結構控制截面產生的最不利內力，并按該內力值進行等效加載。有限元模型見圖4。

圖4　東水門長江大橋有限元計算節點模型

3　靜載試驗

3.1應變測點布置

針對該橋結構特點，選取8個截面作為測試控制截面（見圖1）：主梁中跨最大正彎矩截面、橫梁應力測試截面（K5）；主梁中跨1/4截面最大正彎矩截面（K4）；主梁邊跨最大正彎矩截面（K2）；塔梁交界處主梁最大負彎矩截面（K3）；塔梁交界處塔身截面最大彎矩截面（K6）；塔頂最大偏位加載截面（K7、K8）；南岸區伸縮縫梁端轉角測試截面（K1）。測點布置見圖5～6。

圖5　主梁標準斷面應變測點布置（單位：mm）

3.2撓度測點布置

撓度測點布置在橋面左右兩側（即靠近兩側人行道路緣石的位置，見圖7）。共布置32個，其中上游測點為N11-1、N21-1、N31-1、…、N161-1，下游測點為N12-1、N22-1、N32-1、…、N162-1 （見圖8）。

圖6　拉索橫梁斷面應變測點布置（單位：mm）

圖7　主橋豎向變形測點橫向布置（單位：mm）

3.3塔頂偏位測點布置

主塔塔頂水平變位測點分別布置在南岸側、北岸側主塔頂部，每個塔布置1個測點，南塔、北塔測點編號分別為P1、P2。

3.4試驗工況

根據鋼桁架梁斜拉橋的受力特點和規范要求，選擇主跨跨中截面、主跨1/4截面、塔（墩）梁交界處截面、主塔最大彎矩截面、塔頂最大偏位截面進行試驗。根據理論計算結果，試驗中采用三軸重車（320 k N/輛）和軸重140 k N的B1型列車（6組編）進行等效加載，車輛載位按照內力影響線布置，每種工況分正載和偏載。設計荷載按列車（雙線的90％）+汽車（75％）+人群（75％）考慮，根據設計資料，采用有限元軟件進行建模分析。通過分析計算各截面最不利荷載作用下的內力變化，確定具體加載位置。荷載試驗效率和加載截面見表1。

3.5靜載試驗結果分析

3.5.1位移測試結果

主梁控制截面K2、K4、K5撓度實測值與校驗系數見表2～4。

圖8　主橋主梁豎向變形測點布置（單位：cm）

表1　東水門大橋荷載試驗加載效率

表2　K2截面正彎矩工況下撓度測試結果

表3　K4截面正彎矩工況下撓度測試結果

表4　K5截面正彎矩工況下撓度測試結果

從表2～4可以看出：在試驗荷載作用下，各試驗截面撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數為0.66～0.81，卸載后的殘余變形均小于20％，滿足規范要求。

3.5.2塔頂偏位測試結果

試驗荷載作用下，塔頂縱向偏位測試結果與校驗系數見表5。由表5可知：在最大試驗荷載作用下，塔頂實測縱向最大偏位為100.6 mm，小于理論計算值；偏位校驗系數為0.65～0.78，卸載后相對殘余小于20％，滿足規范要求。

3.5.3應變測試結果

試驗荷載作用下，主梁應變測試結果見表6～ 7。從表6～7可以看出：在最大試驗荷載作用下，主梁各測試截面應變均小于理論計算值，應變校驗系數為0.81～0.84，卸載后相對殘余應變均小于20％，說明結構處于良好的彈性工作狀態。

3.5.4最大索力增量測試結果

在試驗荷載作用下，利用頻率法對部分斜拉索進行索力增量測試。根據測結果，實測斜拉索索力增量校驗系數為0.64～0.83，實測最大相對殘余索力小于20％，表明拉索處于較好的彈性工作狀態。

表5　試驗荷載作用下主塔縱向水平位移測試結果

表6　K5截面應變測試結果

3.5.5梁端轉角測試結果

為了測試試驗荷載作用下主梁梁端的位移，在1#伸縮縫處梁端頭上下游分別布設4個測點，采用電子水準儀進行測試，根據測量結果對梁端的轉角進行計算分析。計算結果表明：在邊跨最大正彎矩試驗荷載作用下，梁端轉角為0.002 rad，理論計算值為0.003 1 rad。

續表6

表7　K2～K4截面應變測試結果

3.5.6試驗結論

靜載試驗結果表明，東水門大橋主要控制截面的承載能力和結構剛度均滿足設計規范的要求。

4　動載試驗

動載試驗的動力反應主要包括環境脈動試驗和強迫振動試驗，用于了解橋梁的自振特性和在使用荷載作用下的動力響應，確定橋梁的動力性能。東水門大橋動力荷載試驗包括：1）脈動試驗。測定橋跨結構固有振動特性，包括振型、頻率、阻尼比。2）車輛行車激振試驗。包括跑車試驗、剎車試驗、跳車試驗，跑車試驗主要測試試驗截面在汽車速度為10 ～40 km/h、列車速度為5～60 km/h時的沖擊系數，剎車試驗主要測試試驗截面在急剎車條件下的沖擊系數，跳車試驗主要測試跨中截面在跳車激勵下的振幅響應、阻尼比，公軌跑車試驗主要測試試驗截面在汽車和列車同時以20、40 km/h速度行駛時的沖擊系數。其中跑車試驗分為公路、軌道（單線、雙線跑車）兩種情況。

4.1橋跨結構動力特性分析

主橋橋跨結構自振特性參數測試結果見表8。從表8可知：實測豎向各階頻率均大于計算頻率，實測各階阻尼比在正常范圍內，說明結構豎向動剛度指標良好。

表8　主橋橋跨結構自振特性參數測試結果

4.2行車試驗動力響應分析

跑車工況分為汽車跑車，時速為10～40 km/h 共4種工況；列車跑車，時速為5、20、40、60 km/h 共4種工況；公軌跑車，時速為20、40 km/h共2種工況；軌道會車，時速為20、40 km/h共2種工況及剎車工況。實測動應力增大系數k值（即1+μ）為1.00～1.05，小于規范計算值。跑車、剎車及會車試驗結構動力響應檢測結果見表9～10。