斜拉橋荷載試驗研究

尹 波

(遼寧省交通運輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽市 110003)

1 斜拉橋荷載試驗的目的

斜拉橋結(jié)構(gòu)在力學上屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，是所有橋型中受力較為復(fù)雜的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。但由于斜拉橋索力的偏差和施工方法的不同，橋梁結(jié)構(gòu)的最終成橋受力狀態(tài)可能會有所差異，因此在斜拉橋建成時或運營過程中進行荷載試驗檢測是非常必要的，其主要目的為：

(1)對斜拉橋進行靜載試驗，測試主要橋孔的梁及索塔截面的應(yīng)力、變位，評估校驗系數(shù)，確定實際承載能力。

(2)對斜拉橋進行動載試驗，測試主要橋孔的固有頻率、振型、沖擊系數(shù)及阻尼比，分析評估橋梁的動力響應(yīng)狀態(tài)。

(3)根據(jù)檢測結(jié)果，提出橋梁的管養(yǎng)建議。

2 工程實例

某橋梁結(jié)構(gòu)為140m+110m(第1、2孔)的梭型獨塔斜拉橋，橋塔是由三個曲線形塔柱交錯而成的梭形結(jié)構(gòu)，截面形式為鋼箱結(jié)構(gòu)，橋面以下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁在索塔中心線兩側(cè)32m范圍內(nèi)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余為鋼箱梁。該橋全寬32.3m(含箱梁兩側(cè)風嘴)。140m跨的錨索區(qū)位于箱梁中心線兩側(cè)3m范圍內(nèi)，共13對拉索；110m跨錨索區(qū)位于箱梁兩側(cè)2m范圍內(nèi)，共13對拉索。中塔柱與主梁固結(jié)，在邊塔柱處，主梁下設(shè)盆式支座支撐于邊塔柱間的立柱上。

2.1 模型建立

本試驗采用了空間有限元軟件Midas Civil對橋梁的主體結(jié)構(gòu)進行建模、分析，其中索塔及鋼箱梁采用梁單元進行模擬，全橋共劃分成350個梁單元，351個節(jié)點，斜拉索采用桿單元模擬，有限元離散模型見圖1。

圖1 斜拉橋有限元模型圖

2.2 靜載試驗

2.2.1靜載試驗工況設(shè)置

利用有限元模型計算結(jié)果，及根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)，確定此次斜拉橋的靜載試驗工況為：

(1)斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處的最大正彎矩試驗工況。

(2)斜拉橋2孔距塔柱根部中心線60m斷面處的最大正彎矩試驗工況。

(3)塔梁固結(jié)段距塔柱根部9m斷面處最大負彎矩試驗工況。

(4)斜拉橋塔頂部最大位移、變位試驗工況。

(5)斜拉橋下塔柱的塔腳斷面處(塔柱與橋面交接處斷面)最大彎矩試驗工況。

(6)1孔第7號斜拉索的最大拉力試驗工況。

(7)2孔第6號斜拉索的最大拉力試驗工況。

2.2.2測點布置

(1)梁體應(yīng)變測點布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處、1孔距塔柱根部中心線9m截面，共3個主梁截面布置正應(yīng)變測點，正彎矩截面每個截面布置7個測點，負彎矩截面布置4個測點，共計18個正應(yīng)力(應(yīng)變)測點，見圖2。

圖2 梁體應(yīng)變測點布置圖

(2)主梁位移測點布置：在斜拉橋1孔距塔柱根部中心線80m斷面處、2孔距塔柱根部中心線60m斷面處，共2個梁體截面布置撓度測點，每個截面布置3個測點，共計6個撓度測點。

(3)主塔測點布置：在塔柱與橋面交接處的塔柱截面左、右側(cè)各布置1個應(yīng)力(應(yīng)變)測點，全橋共設(shè)置2個應(yīng)變測點；在塔柱頂部設(shè)置1個位移測點，全橋共設(shè)置1個位移測點。

(4)拉索索力測點布置：選擇1孔第7號拉索和2孔第6號拉索進行索力變化檢測，共4個索力測點。

2.2.3加載方式及荷載試驗效率

采用雙后軸的載重汽車作為該斜拉橋的靜載試驗荷載加載配重，所有工況最多需要12輛加載車，具體參數(shù)及軸重如圖3所示。

圖3 加載車軸距及軸重圖(單位：m)

加載車數(shù)量據(jù)設(shè)計標準活荷載產(chǎn)生的在斜拉橋上(截面)最不利內(nèi)力或變位值確定，按式(1)所確定的原則等效換算而得，不同截面其荷載效率將隨加載位置不同而改變，試驗規(guī)程要求ηq介于0.95～1.05之間，該斜拉橋的內(nèi)力值及設(shè)計加載工況的荷載效率詳見表1。

(1)

式中：ηq—荷載效率值；

Ss—荷載作用下加載控制截面應(yīng)變或變位的最大計算效應(yīng)值；

S′—檢算荷載在加載控制截面應(yīng)變或變位的最不利效應(yīng)值；

μ—按規(guī)范計算取用的沖擊系數(shù)值。

依據(jù)該橋的設(shè)計文件，設(shè)計荷載等級為城-A級，按4車道布置，橋梁結(jié)構(gòu)的荷載橫向折減系數(shù)值為0.67，偏載系數(shù)值為1.15，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)值μ=0.05。經(jīng)過有限元模型計算，各荷載試驗工況的試驗效率均滿足試驗規(guī)范要求。

表1 靜載試驗荷載效率表

2.2.4主梁測試結(jié)果

主梁各工況下的應(yīng)變、位移測點實測值與理論值的比較，得到以下結(jié)果：

(1)橋梁結(jié)構(gòu)主梁的位移校驗系數(shù)介于0.47～0.57之間，應(yīng)變校驗系數(shù)介于0.48～0.71之間，均小于1.00，說明主梁結(jié)構(gòu)具有足夠的整體剛度、強度，符合設(shè)計要求。

(2)各加載工況卸載后相對殘余變位、應(yīng)變均小于20%，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)。

2.2.5斜拉索測試結(jié)果

各工況作用下斜拉橋索力實測值與理論值的比較見表2、表3，索力增量結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)分別為0.95、0.92，拉索實測索力值與計算值吻合較好，說明橋梁體系受力合理，滿足設(shè)計要求。

表2 1孔第7號索力增量實測值與計算值的比較

表3 2孔第6號索力增量實測值與計算值的比較

2.2.6主塔測試結(jié)果

(1)主塔偏位：主塔塔頂縱向偏位實測值與理論計算值見表4。通過對實測值與理論計算值的比較，該橋主塔校驗系數(shù)為0.36，結(jié)構(gòu)實測受力變形與理論計算值總體吻合良好，主塔縱橋向變形一致性較好，表明該橋主塔具有足夠的剛度，滿足設(shè)計要求。

表4 塔頂縱向位移實測值與計算值的比較

(2)主塔應(yīng)變：主塔下塔柱根部截面在試驗荷載作用下的應(yīng)力實測值與理論計算值的比較見表5，塔柱截面的應(yīng)力校驗系數(shù)為0.14、0.21，表明主塔在各試驗工況作用下均處于彈性受力狀態(tài)，主塔具有足夠強度儲備，主塔受力合理。

表5 塔腳截面最大彎矩工況下應(yīng)力實測值與理論值的比較

2.3 動載試驗

動載試驗的主要目的在于研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性及在車輛荷載作用下的動力反應(yīng)，其測試結(jié)果是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運營狀況和承載特性的重要指標。本次動載試驗主要進行脈動試驗、跑車試驗，測試的動力特性參數(shù)包括頻率、振型、阻尼比、沖擊系數(shù)。

2.3.1脈動試驗

脈動試驗采用自然環(huán)境下的正常激勵，利用設(shè)置在橋面不同位置的拾振傳感器提取結(jié)構(gòu)在周邊環(huán)境和大地脈動下產(chǎn)生的振動信號，根據(jù)采集到的橋梁時域振動數(shù)據(jù)進行試驗?zāi)B(tài)分析，進而得到斜拉橋結(jié)構(gòu)的動力相應(yīng)參數(shù)。

脈動試驗測點布置：在1孔、2孔的跨徑十六分點截面處，橋面兩側(cè)均設(shè)置豎直振動試驗的測點，全橋66點，參考點選1孔橋面的跨中斷面附近。

圖4 橋梁一階扭轉(zhuǎn)、一階豎彎振型圖

表6 主梁實測固有頻率與理論計算頻率的比較

從表6中的檢測結(jié)果可以得到該橋?qū)崪y固有頻率fmi與理論計算頻率fdi比值為1.11，大于1.00。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2條確定該橋自振頻率的評定標度為1，說明斜拉橋結(jié)構(gòu)的豎向剛度較好。

2.3.2跑車試驗

由一輛加載重汽車分別以20km/h的速度在橋面上行駛，橋梁產(chǎn)生具有附加質(zhì)量(車輛全重)的衰減自振，沖擊荷載按中心位置加載，在車輛離橋后橋梁結(jié)構(gòu)作無附加質(zhì)量的衰減自振，利用時域分析的豎向振動波形(如圖5)，按式(2)計算的沖擊系數(shù)(1+μ)見表7。

(2)

圖5 跑車試驗—第1孔豎向振動波形(20km/h)

式中：fdmax、fdmin分別為實測最大和最小動撓度。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)計算得出該橋第1孔沖擊系數(shù)如表7所示。第1孔實測沖擊系數(shù)為1.03，在規(guī)范取值范圍內(nèi)。

表7 跑車沖擊系數(shù)(1+μ)表

3 結(jié)語

斜拉橋作為常用的特殊結(jié)構(gòu)橋型，其受力較為復(fù)雜，因此在橋梁交工及運營過程中應(yīng)及時安排橋梁荷載試驗，明確結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為橋梁的日常養(yǎng)護和維修加固提供依據(jù)，保障橋梁運營安全。