“V”型塔雙索面斜拉橋荷載試驗研究

高 偉

(安徽省公路工程檢測中心;安徽省橋梁與隧道重點實驗室，安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，斜拉橋由于其結構輕巧，適用性強，利用梁、索和塔三者組合變化做成不同體系，既滿足一定大跨徑橋梁的需求性，又滿足工程建設的美觀性，同時隨著高強度斜拉索和正交異形板制造工藝等技術的成熟，使得其得到大量推廣。

由于斜拉橋是高次超靜定組合結構，設計變量多，施工控制要求嚴，技術難度高，拉索耐久性的挑戰(zhàn)日趨明顯，隨著跨徑增大，存在結構穩(wěn)定的問題，所以需要對建成的橋梁結構進行荷載試驗，評估橋梁承載能力及剛度是否滿足設計要求。

1 項目概述

主橋采用(108+70)m“V”型塔雙索面斜塔斜拉橋，橋梁整幅布置，標準寬度47 m，主梁采用鋼-混混合梁，塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高約18.5 m，塔柱順橋向為“V”型，橫橋向為“∧”型，主跨及邊跨均設置8對斜拉索。主墩采用承臺接群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁，設計荷載等級：城-A級。

2 荷載試驗

2.1 有限元模型

利用橋梁專用有限元計算分析軟件Midas/Civil 2017建立主橋混合梁塔梁固結體系斜拉橋模型，采用城-A級作為驗證荷載，對其進行靜動載試驗的理論分析。鋼-混混合梁和橋塔采用梁單元模擬，計629個，斜拉索采用桁架單元模擬，計48個。

圖1 有限元計算模型

表1 主要材料結構參數

2.2 測試工況

根據《公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程》和《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的規(guī)定，經過設計荷載和試驗荷載作用下的最大正彎矩和最大負彎矩位置，建立內力測試截面(7個)，對應于測試截面確定靜力加載試驗工況(9個)(圖2、表2)。

圖2 主橋彎矩包絡圖(單位:kN·m)

表2 測試工況和靜載試驗效率系數

2.3 測試截面和測點布置

根據橋梁結構在設計荷載及試驗荷載作用下的最大正彎矩和最大負彎矩的位置(圖3)，確定測試截面進行應變和撓度測試(表3)。

圖3 測試截面位置圖(單位：cm)

表3 測試截面和內容

由于篇幅有限，僅選取A截面鋼箱梁和B截面混凝土箱梁的應變測點布置圖(圖4、圖5)。

圖4 A截面鋼箱梁應變測點位置圖(單位：cm)

圖5 B截面混凝土箱梁應變測點位置圖(單位：cm)

2.4 結果分析

2.4.1 靜載試驗

經過計算分析，按城-A荷載標準，采用46 t的3軸卡車加載，為滿足控制截面達到設計荷載的最大內力，本次試驗需要16輛加載車。根據模型計算的最大內力截面影響線確定加載車輛位置，采用分級加載(圖6)。

圖6 試驗加載車軸距及軸重(單位：cm)

由于篇幅有限，僅舉例以下工況數據：

工況1：第11跨A斷面鋼箱梁最大正彎矩偏載和中載測試及副塔S3、S4索力增量測試。

工況9：11#墩副塔塔頂縱向變位測試。

圖7 工況一A斷面處彎矩影響線圖

圖8 工況一A斷面處撓度影響線圖

2.4.2 動載試驗

采用有限元軟件Midas/Civil 2017計算結構前三階頻率和振型如圖9所示。

表4 第11跨最大正彎矩控制截面(工況1)偏載加載應變數據

表5 第11跨鋼箱梁A斷面偏載(工況1)撓度數據

表6 11#副塔塔頂最大縱向位移工況9加載位移數據

表7 主橋斜拉索索力增量(工況1)實測數據表

圖9 前三階豎彎理論自振振型圖

根據實測各測點時域波形圖的頻譜分析結果，可得出前三階實測頻率與理論計算頻率之比，詳見表8。跳車激振試驗時所采集的時程響應曲線如圖10所示。

表8 實測自振頻率與理論計算自振頻率比較表

圖10 跳車動應變響應

2.5 結構狀態(tài)評估

(1)本次靜力加載試驗加載效率系數值為0.85～0.99，符合規(guī)范的要求范圍(0.85～1.05)。

(2)在等效試驗荷載作用下，主橋試驗聯各控制斷面在試驗荷載作用下，鋼箱梁、混凝土箱梁和塔柱各控制截面應變校驗系數分別為0.71～0.79,0.54～0.63和0.56～0.63；鋼箱梁和混凝土箱梁撓度校驗系數分別為0.82～0.86和0.79～0.82。

(3)在各工況下的分級加載和卸載過程中，控制截面均未發(fā)現結構性受力裂縫，應變、撓度在卸載結束后得到恢復，測點最大相對殘余變形為20%。

(4)跑車激勵試驗在20～50 km/h的最大實測沖擊系數為0.046，低于規(guī)范要求,該橋的抗沖擊性能滿足設計要求。采用環(huán)境隨機振動法測的模態(tài)試驗前3階頻率實測值和理論值對比(fmi/fdi)在1.03～1.17，實測頻率值偏大，橋梁結構整體剛度滿足設計要求。

(5)恒載作用下實測索力與理論成橋索力最大偏差為-6.06%。

3 結束語

通過具體工程實例的荷載試驗研究，各測試截面應變和撓度校驗系數均小于規(guī)范限值，測點最大相對殘余變形≤20%，說明結構中各主要受力位置在試驗荷載作用下承載能力較好，結構剛度滿足設計要求，處于彈性工作狀態(tài)。該橋滿足城-A級荷載標準。后期運營過程中加強交通控制和定期檢查維護，嚴禁超載、超速車輛通行，確保結構性能安全可靠。