大跨徑斜拉橋靜載試驗研究

柳江濤，楊光哲

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京211112；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京211112）

0 引 言

斜拉橋發(fā)展至今，在計算理論、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料及施工技術(shù)等方面都有較大發(fā)展。斜拉橋的這些進(jìn)步、完善和發(fā)展，與斜拉橋的科學(xué)試驗是分不開的。斜拉橋結(jié)構(gòu)試驗研究對于推動和發(fā)展其結(jié)構(gòu)計算理論，解決工程實際中出現(xiàn)的疑難問題，起到了重要作用。本文以某雙塔組合梁斜拉橋為工程背景，通過成橋靜載試驗和理論計算分析，對橋梁剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：主要測點的撓度和應(yīng)變實測值小于理論計算值，橋梁剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求，本文研究結(jié)果可為同類型橋梁的設(shè)計和成橋試驗提供參考。

1 工程概況

某大橋主橋全長756 m，為雙塔雙索面鋼與混凝土組合梁斜拉橋。大橋橋孔布置為60.8 m+117.2 m+400 m+117.2 m+60.8 m，邊跨設(shè)有輔助墩，主橋支撐體系采用半漂浮體系，主梁在每個索塔及輔助墩處各設(shè)兩個雙向滑動支座，在每個過渡墩處設(shè)置一個單向滑動支座和一個雙向滑動支座。同時在每個索塔處，主梁兩側(cè)均設(shè)置一個橫向抗風(fēng)支座，設(shè)計荷載：公路-I 級。

主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面。兩邊主梁橫向中心距為34.5 m，全寬36.5 m，梁高3.6 m（主梁中心線處），其中邊主梁中心線梁高2.7 m。

索塔采用H 型索塔，塔高167.5 m，索塔兩側(cè)各布置17 對斜拉索，全橋共68 對136 根索，中跨及邊跨斜拉索梁上間距為10.8 m，輔助墩范圍內(nèi)斜拉索間距為7.2 m，索塔附近主梁無索區(qū)長度為40 m，斜拉索梁上采用錨拉板錨固，塔上采用鋼錨梁錨固。

2 計算模型

利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 對該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，該橋橫向設(shè)計為8 個車行道，計算時采用公路-I 級荷載加載，按8 車道布載，并按照規(guī)范取0.50 的橫向折減系數(shù)，取0.96 的縱向折減系數(shù)，同時考慮橫向不均勻系數(shù)1.15[1]；橋梁主塔及主梁均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬；橋塔塔底為固結(jié)，全部約束，斜拉索與主塔，主塔與主梁采用剛性鏈接，斜拉索與主梁采用共節(jié)點建立連接。全橋結(jié)構(gòu)離散圖如圖1 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)離散圖

3 試驗實施方法

3.1 測試項目

根據(jù)該次橋梁荷載試驗的主要目的，為了合理有效地評估橋梁正常使用狀態(tài)的承載能力，對橋梁進(jìn)行荷載試驗，按如圖2 所示的測試截面位置進(jìn)行以下靜載試驗測試項目[2-4]：

（1）各跨主梁跨中截面在試驗荷載作用下的撓度及應(yīng)變；（2）主跨1/4 和3/4 截面在試驗荷載作用下的應(yīng)變和撓度；（3）主梁主墩墩頂、輔助墩墩頂截面在試驗荷載所用下的應(yīng)變；（4）主梁在試驗荷載作用下的縱向位移；（5）塔頂截面在試驗荷載作用下的水平位移；（6）主塔主梁處截面在試驗荷載作用下的應(yīng)變；（7）斜拉索在試驗荷載作用下的索力增量。

圖2 橋梁測試截面位置示意圖（單位：m）

3.2 測點布置

（1）應(yīng)力測點：主梁及主塔各截面的表面應(yīng)力采用穩(wěn)定性好、精度高并適合于野外環(huán)境的振弦式應(yīng)變計進(jìn)行測量，主要測試控制截面的應(yīng)力分布規(guī)律和受力性能，典型測試截面測點應(yīng)變傳感器布置示意圖如圖3 所示。

圖3 主橋5-5 截面測點布置圖（單位：cm）

（2）位移測點：主梁豎向撓度，通過在梁底布置棱鏡采用全站儀進(jìn)行測量；主塔偏位，通過在施工期間塔頂預(yù)設(shè)的棱鏡采用全站儀進(jìn)行測量。

（3）索力測點：斜拉索在試驗荷載作用下的索力增量采用脈動法，由動態(tài)測試設(shè)備測量，索力采用振動頻率法進(jìn)行測定。

3.3 加載工況

（1）加載車型：靜載試驗采用30 輛30 t 三軸車輛進(jìn)行等效加載，車隊縱向位置按Midas/Civil 軟件計算的影響線進(jìn)行布設(shè)，為保證試驗效果，對于某一特定荷載工況，試驗荷載的大小和加載位置的選擇采用靜載試驗效率系數(shù)進(jìn)行控制，靜力試驗荷載的效率系數(shù)即為試驗施加荷載產(chǎn)生的作用效應(yīng)和設(shè)計荷載作用效應(yīng)(考慮沖擊影響)的比值，一般應(yīng)滿足0.85～1.05[2]。

（2）各加載工況及其荷載布置：考慮到橋梁的實際情況，主橋不同工況采用不同的加載方式，根據(jù)圖4 及圖55-5 截面豎向位移及彎矩影響線，某工況車輛布置如圖6 所示。

工況5：主跨跨中截面的最大正彎矩效應(yīng)、豎向撓度、斜拉索最不利索力效應(yīng)加載，對稱加載，分五級加載;

測試項目：加載前、加載后及卸載后5-5 截面應(yīng)變、主梁豎向位移、塔偏、12-12、13-13 截面應(yīng)力、灌南側(cè)Z15～Z17 索索力，響水側(cè)Z15～Z17 索索力。

圖4 工況五5-5 截面豎向位移影響線

圖5 工況五5-5 截面彎矩影響線

（3）效率系數(shù)：通過計算，各加載工況作用下荷載效率見表1。

表1 各測試工況荷載效率系數(shù)計算表

4 測試結(jié)果及分析

4.1 主梁撓度數(shù)據(jù)分析

典型工況主梁撓度數(shù)據(jù)見表2，撓度值向下為負(fù)，H（5-5 截面）校驗系數(shù)為0.95，工況5 作用下主梁撓度數(shù)據(jù)對比分析如圖7 所示。

表2 工況5 主梁撓度數(shù)據(jù)分析表

圖7 工況5 作用下主梁撓度數(shù)據(jù)對比分析圖

4.2 主梁應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表3，應(yīng)力以拉為正，以壓為負(fù)。

表3 工況五實測值與理論值比較表

5 結(jié) 論

（1）在試驗荷載作用下，主梁的縱向?qū)崪y撓度曲線與理論撓度曲線基本吻合，這表明由鋼混疊合主梁、斜拉索等組成的這種上部結(jié)構(gòu)體系整體工作性能良好；在對稱荷載加載作用下，主梁和橋塔變形以及主梁應(yīng)力的對稱性良好，結(jié)構(gòu)整體上受力均衡。

（2）在試驗荷載作用下，主梁及橋塔各控制截面撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)介于0.83～0.95 之間，撓度校驗系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

（3）在試驗荷載作用下，主梁及橋塔各測試截面的關(guān)鍵測點應(yīng)力值均小于理論值，應(yīng)力校驗系數(shù)介于0.52～0.92 之間，應(yīng)力校驗系數(shù)小于1.0，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。