非對稱型貝雷鋼斜拉橋荷載試驗研究

張明文

（1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 310006；2.浙江交科交通科技有限公司，浙江 杭州 310006）

隨著我國公路水運基礎建設的快速發展，公路橋梁工程從建設條件良好的平原地區不斷深入到建設條件差的高壓山區環境當中，不僅要跨越大江大河，也要跨越山谷；因此大型橋梁的建設必不可少，大跨徑公路橋梁越來越常見。如此多的大跨徑橋梁不僅在戰時面臨嚴重威脅；即使在平時，由于地震、山洪、泥石流等自然災害引起的船撞橋梁，也會造成橋梁損毀，出現交通中斷的情況，如青海省果洛州瑪多縣發生的7.4級地震，造成西麗高速瑪多縣境內的野馬灘大橋和野馬灘2號大橋發生坍塌，廣東九江大橋、浙江金塘大橋、四川紅東橋等或因船舶撞擊、水毀、車輛燃燒等造成橋梁的局部損毀或整體損壞而坍塌。根據以往經驗，損毀橋梁的修復時間短則幾月、長則一兩年；在短時間內架通橋梁，滿足交通應急需要，對保證戰時軍隊物資運輸及平時社會秩序正常運轉具有十分重要的意義。

基于ZB-200型貝雷改進的直塔裝配式斜拉鋼橋[1]最大跨徑已從60 m發展到102 m，但還不足以應對當今諸多跨徑102 m以上橋梁的應急需要。本文研究非對稱結構人字形斜塔橋裝配式斜拉鋼橋，跨越能力可以達到130 m并滿足不低于履帶式荷載50 t、輪式軸壓13 t以下的各種車輛通行要求[2]，以補充跨徑在102～130 m橋梁的應急需要。

1 橋型設計

在原跨徑102 m的斜拉裝配式公路鋼橋的基礎上，優化結構形式和構建方式，提高整體安裝效率，增大結構的適用范圍和靈活性，提出兩種結構方案，比選出一種可用于日后大范圍推廣使用的新型裝配式公路橋梁。

1）直塔方案：全長231.65 m，塔高42.672 m。見圖1。

圖1 直塔大跨徑斜拉裝配式公路鋼橋

2）斜塔方案：全長182.88 m，塔高39.837 m。人字形斜塔，主塔長42.672 m、輔塔長32.220 m，輔塔輔助橋塔施工。見圖2。

圖2 人字形斜塔大跨徑斜拉裝配式公路鋼橋

通過對適用性、構件總量、施工效率、受力性能、技術先進性等指標的對比分析[3]，得出人字形斜塔方案各方面均更優于直塔方案。見表1。

表1 橋型方案對比

2 荷載測試

2.1 試驗方法

靜載試驗采用一輛六軸285、457、637、724.5 kN加載車進行分級加載[4]。靜載應力采用應變傳感器和數據采集儀進行測試和數據采集，主梁撓度和主塔偏位采用小棱鏡與全站儀配合進行測試采集。見圖3和表2。

圖3 加載車

表2 加載車主要參數 kN

動載試驗是利用Midas civil 2015有限元軟件對試驗橋進行三維建模，以獲得理論分析動力特性數據，作為試驗結果對比。橋梁材料性能、尺寸、約束等模擬假定與靜載模型一致。見圖4。

圖4 橋梁豎向振型

通過使用一輛15 t加載車，無障礙進行2 000次試驗激振橋梁，采集振動信號并分析得到實測動力參數。

2.2 測點布設

主要測試鋼橋主塔的位移、索力，主梁撓度以及鋼橋各處塔梁的應力。在主塔塔頂側面布設一個測點，用全站儀觀測主塔位移；采用壓力環進行索力監測；在主梁ZB-200型貝雷桁架豎桿位置用連通管布設撓度測點、全橋共布10個[5]；鋼橋塔、梁的應力監測采用基于霍爾效應的高精度數碼傳感器，測點具體位置見圖5和圖6。

圖5 桁架主梁撓度豎桿測點位置

圖6 貝雷各處應力監控點布置

2.3 測試過程

加載車輛向陸地側行駛，主跨加載7個工況，主要測試懸河跨構件；邊跨加載2個工況，主要測試邊跨最大索力工況的邊跨構件。見圖7。

圖7 靜載試驗加載工況

為盡量詳細的測試鋼橋性能，靜載試驗測試從陸地側開始，以16 m左右加載一次，以加載車第1軸P1為控制軸加載，每次加載均測試主梁相關斷面各測點應力、撓度、索力及主塔縱橫向偏位情況。

對637 kN加載車分別進行正載和偏載的加載。加載車為3軸濠樂牌半拖車+3軸通華牌半掛車進行，共分285、457、637、724.5 kN四級加載。見圖8。

圖8 正載橫向布置

3 測試結果分析

3.1 靜載試驗位移

主梁和塔在加載724.5 kN正載時，位移最大。見表3。

表3 四級加載正載最大位移測試結果

3.2 靜載試驗索力

在724.5 kN正載和637 kN偏載過程中，測點索力校驗系數基本均在0.7～1.3之間。見表4。

表4 724.5 kN正載和637 kN偏載最大索力測試結果

3.3 靜載試驗應力

在724.5 kN正載和637 kN偏載過程中，各工況貝雷桁架最大應力見表5。

表5 四級加載正載各桿件最大應力測試結果

續表5

3.4 動載

實測本橋動載試驗頻率與理論計算值比較見表6。

表6 動力特性分析

由表6可見，本橋動載試驗中豎向一階基頻實測值較理論計算基頻低，說明實測結果反映的結構豎向剛度比計算結果反映的豎向剛度小，實測阻尼比也處于正常狀態。

4 結論與建議

1）主梁各主要撓度測點的實測值和理論值規律一致，橋梁實際工作狀態與設計較一致。

2）在724.5 kN重車正載作用下，主梁的豎向最大撓度實測值為388.1 mm，滿足JTGT 3365-01—2020《公路斜拉橋設計規范》平板掛車或履帶車規定的L/400×1.2=388.6（mm）限值要求。

3）主塔縱向偏位四級加載時位移校驗系數基本0.9～1.0，主塔剛度與理論計算值一致。

4）斜拉索的實測值和理論值規律一致，斜拉索工作狀態與設計較一致，索力校驗系數基本1.1～1.3。

5）實測應力與理論應力變化規律基本吻合，主梁應力校驗系數基本＜1.0。

6）動載實測結構基頻小于理論基頻，實測阻尼比為0.064～0.08。

本橋存在部分測點的實測撓度和索力略大于設計期望值，分析認為主要原因是本橋設計由節段構件拼接而成，銷接、支撐、“一分三”斜拉索等都較難用橋梁分析軟件真實的模擬，同時加載車輛位置、測試儀器本身等存在一些無法完全消除的誤差，但實測撓度和應力在規范允許的橋梁撓度限值和鋼材應力容許值范圍內。

綜上所述，本橋型的設計可以滿足公路-Ⅱ等級的應急使用，但考慮到每次應急搶險時架設場地條件、施工人員素質均有所差異，基于本次荷載試驗的測試分析，針對本橋及相同結構在設計和實際長期應用時還需采取相對保守的措施，以提高橋梁運行的安全系數。