基于現(xiàn)場試驗與檢算的協(xié)作體系矮塔斜拉橋承載能力研究

王 偉

(重慶中科建筑工程質(zhì)量檢測有限公司 重慶市 400080)

矮塔斜拉橋是近些年發(fā)展起來的新穎橋型，剛度比普通斜拉橋大，跨越能力又強于連續(xù)剛構(gòu)橋，具有施工成熟便捷、橋跨布置靈活、經(jīng)濟性能良好等特點[1-2]。協(xié)作體系斜拉橋一般是將連續(xù)梁(剛構(gòu))橋與(矮塔)斜拉橋組合形成協(xié)作受力的結(jié)構(gòu)體系，具有兩者的優(yōu)點，二者結(jié)合使得跨越能力更大、主梁受力改善明顯等[3-4]。目前關(guān)于矮塔斜拉橋荷載試驗的研究僅是針對矮塔斜拉橋本身而言，對于協(xié)作體系的矮塔斜拉橋的承載能力研究甚少。以運營期內(nèi)協(xié)作體系矮塔斜拉橋為實例，首先通過荷載試驗測試出橋梁結(jié)構(gòu)在當(dāng)前狀態(tài)下的實際受力狀況及其工作性能，然后采用折減系數(shù)法對橋梁的承載能力進行了檢算。

1 工程概況

橋梁采用雙塔雙索面矮塔斜拉橋+連續(xù)剛構(gòu)橋+連續(xù)梁橋組合形成的協(xié)作結(jié)構(gòu)體系，跨徑布置為(66+75+75+145+250+145)m。矮塔斜拉橋的支撐體系采用墩塔梁固結(jié)方式，連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)的支撐體系為除0#、6#臺及1#墩頂設(shè)置滑動支座外，其余部位均采用固結(jié)約束。主梁采用C60混凝土，采用單箱單室箱型斷面，全橋共52對斜拉索，在梁上的標(biāo)準(zhǔn)間距為5.0m，塔上的標(biāo)準(zhǔn)間距為1.5m。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為28.0m，橫向布置為1.5m(拉索區(qū))+12.0m(行車道)+1.0m(分隔帶)+12.0m(行車道)+1.5m(拉索區(qū))。設(shè)計荷載為公路-I級，按雙向六車道設(shè)計。橋型布置見圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

2 荷載試驗

2.1 截面選取

結(jié)合理論計算結(jié)果與《試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[5]，選取最不利受力截面作為荷載試驗的控制截面，并以此作為試驗加載的依據(jù)，具體見圖1所示。為減小試驗耗時與提高加載效率，以加載車最少的加載次數(shù)同時滿足多個試驗控制項目為目標(biāo)進行載位布置[6]。各控制截面的試驗項目與橋梁測試工況及所需加載車輛見表1所示，表1中采用總重300kN的三軸加載車。

從表1可得出，9個控制截面、5個試驗工況下，各試驗工況控制截面的荷載試驗效率均在0.95～1.05范圍內(nèi)，滿足《試驗規(guī)程》要求[5]。

表1 橋梁試驗加載工況與荷載試驗

橋梁變位測點布置在每個控制截面距離兩側(cè)防撞護欄10cm的橋面上，測試橋梁在試驗荷載作用下的變位情況；應(yīng)變測點在控制截面的頂、底板與腹板各布置3個測點，測試橋梁在試驗荷載作用下的應(yīng)變情況。

2.2 變位實測結(jié)果分析

試驗荷載作用下，各控制截面的主要變位實測結(jié)果與計算值的比較見表2所示，表2中控制截面的實測變位為橋面兩側(cè)變位測點的平均值。

表2 各試驗工況下主要變位測試結(jié)果(單位:mm)

從表2中可得出，試驗橋跨的實測變位均小于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)實際剛度優(yōu)于設(shè)計，剛度滿足要求，校驗系數(shù)在0.55～0.85之間，說明結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，最大為8.98%，遠(yuǎn)小于20%的限值，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，橋梁當(dāng)前狀態(tài)下整體受力性能良好。

2.3 應(yīng)變實測結(jié)果分析

試驗荷載作用下，各控制截面的主要應(yīng)變實測結(jié)果與計算值的比較見表3所示，表3中控制截面的頂、底板實測應(yīng)變值為相應(yīng)位置處3個測點的平均值，應(yīng)變受拉為正。

表3 各試驗工況下主要應(yīng)變測試結(jié)果

從表3中可得出，控制截面的實測應(yīng)變均小于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)實際強度優(yōu)于設(shè)計，強度滿足要求，校驗系數(shù)在0.66～0.87之間，說明結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，最大為10.53%，遠(yuǎn)小于20%的限值，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，橋梁當(dāng)前狀態(tài)下整體受力性能良好。

此外，在試驗工況3荷載作用下，對5#索塔13′#斜拉索(最大索力增量工況)進行了測試。經(jīng)現(xiàn)場荷載試驗得出索力增量實測值為307kN，小于試驗荷載作用下的計算值394kN，校驗系數(shù)為0.78，表明斜拉索受力正常。

3 結(jié)構(gòu)檢算

結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，并依據(jù)《評定規(guī)程》確定各項折減系數(shù)[7-8]，具體見表4所示。

表4 橋梁各項折減系數(shù)

承載能力極限狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎與抗剪承載能力驗算結(jié)果見圖2與圖3所示。

圖2 最大正彎矩抗力及彎矩對應(yīng)內(nèi)力圖(單位：kN·m)

圖3 最大剪力抗力及剪力對應(yīng)內(nèi)力圖(單位：kN)

從圖2與圖3可得出，承載能力極限狀態(tài)下，荷載效應(yīng)彎矩值與剪力值均小于對應(yīng)抗力限值，表明橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎與抗剪承載能力滿足要求。

正常使用極限狀態(tài)下，主梁正截面與斜截面抗裂驗算結(jié)果見表5所示。

從表5可得出，正常使用極限狀態(tài)下，主梁正截面與斜截面的應(yīng)力值均小于結(jié)構(gòu)抗力限值，表明橋梁結(jié)構(gòu)的正截面與斜截面的抗裂驗算滿足要求。

表5 主梁正截面與斜截面抗裂驗算結(jié)果(單位：MPa)

斜拉索強度驗算見圖4所示。從圖4中可看出，斜拉索最大應(yīng)力均小于拉索強度應(yīng)力限值，表明拉索受力正常，滿足要求。

圖4 斜拉索強度驗算(單位：MPa)

此外還對設(shè)計活載作用下主梁的撓度進行了驗算。經(jīng)計算，主梁最大撓度值為203.4mm，小于規(guī)范限值500mm，撓度驗算滿足要求。

4 結(jié)語

以運營期內(nèi)協(xié)作體系矮塔斜拉橋為實例，首先通過荷載試驗測試出橋梁結(jié)構(gòu)在當(dāng)前狀態(tài)下的實際受力狀況及其工作性能，然后采用折減系數(shù)法對橋梁的承載能力進行了檢算，得出以下主要結(jié)論。

(1)試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)受力正常，試驗橋跨的實測變位和控制截面的實測應(yīng)變與索力增量均小于理論計算值，結(jié)構(gòu)實際剛度與強度優(yōu)于設(shè)計，滿足規(guī)范要求且具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，橋梁結(jié)構(gòu)在當(dāng)前狀態(tài)下整體受力性能良好。

(2)橋梁結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的抗彎和抗剪承載能力均滿足要求；正常使用極限狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的抗裂和撓度均滿足要求；正常使用階段，斜拉索強度與主梁剛度滿足要求，即經(jīng)各項系數(shù)折減后的運營期內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計與使用要求。