獨塔雙索面斜拉橋荷載試驗研究

楊玉盟

(安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230000)

1 概述

斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁,是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系[1-3]。具有減小梁體內彎矩,降低建筑高度,減輕結構重量,節省了材料,跨越能力大等優點,因此備受設計者的青睞。

為了全面了解橋梁結構在荷載作用下的實際工作、受力狀態,最為直觀的方式即為橋梁荷載試驗檢測[4-6]。本文通過對實橋進行試驗,掌握橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀況,為同類型的橋梁荷載試驗提供參考依據,并為同類型橋梁的設計提供真實的結構案例。

2 工程背景

橋梁位于黃山市市府所在地屯溪區屯光鎮,橫跨新安江南北兩岸,主橋為(130+110)m預應力混凝土雙索面塔墩梁固結獨塔斜拉橋。橋面橫向布置:2.5 m(人行道)+12.5 m(機動車道)+4 m(索塔區)+12.5 m(機動車道)+2.5 m(人行道)=34.0 m。荷載等級:城-A級。

主梁為預應力混凝土單箱五室截面,中軸線處梁高3.5 m,翼緣處梁高3 m,主梁頂面寬34 m,底面寬17 m;在非橋塔處,箱梁頂板厚0.25 m,錨索區箱梁頂板厚0.5 m,底板及斜腹板厚0.25 m,外直腹板厚0.4 m,內直腹板厚0.6 m;橋塔處箱梁頂板厚0.6 m,錨索區箱梁頂板厚0.8 m,底板及斜腹板厚0.6 m,外直腹板厚0.6 m,內直腹板厚0.8 m。

主塔為獨柱式空心矩形截面混凝土橋塔,橋塔總高76 m;橋塔順橋向寬度為7 m,橫橋向厚度4 m,順橋向拉索面壁厚1.2 m,橫橋向壁厚0.75 m。斜拉索為鋼絞線束,單側19對,全橋共76根。

該橋立面布置圖見圖1。

3 有限元模型

本橋采用MIDAS CIVIL軟件進行計算,根據結構特點,全橋共劃分為356個節點,312個單元,主橋橋墩與主梁固結,模型如圖2所示。

4 靜載試驗

4.1 主要控制截面、試驗工況及加載效率

根據理論計算分析,確定橋梁靜載試驗控制截面,按內力等效原則進行加載,本次靜載試驗中各個試驗工況的荷載效率滿足規范中所規定的0.85≤η≤1.05的要求[7]。

試驗加載采用三軸后八輪載重汽車(前軸與中后軸間距3.5 m,兩后軸間距1.4 m,橫向軸距1.8 m),其前軸控制在(60±5) kN以內,后軸控制在(120±5)kN以內,單車總重量控制在(300±10)kN以內[8]。主要控制截面如圖3所示，試驗工況見表1，加載效率見表2。

表1 試驗工況

表2 加載效率

4.2 測點布置

1-1截面、4-4截面分別布置5個變形測點和7個應變測點,測點布置如圖4所示。

2-2截面共布置7個應變測點,測點布置見圖5。

3-3截面在距橋面1.2 m處順橋向和橫橋向分別布置1個應變測點,順橋向編號為1號、橫橋向編號為2號;5-5截面在塔頂布置1個位移測點,編號為1號;N9索力采用索力動測儀進行測試。

4.3 試驗結果

4.3.1 變形測量結果

變形測量結果如表3～表5所示。

表3 工況1作用下變形結果

表4 工況2作用下變形結果

表5 工況5作用下變形結果

由表3～表5可知:1)各試驗工況下,主梁主要控制截面測點變形校驗系數在0.74～0.94范圍內,均小于1。工況2作用下,主梁最大豎向變形為19.9 mm,遠小于規范規定值L/500=260 mm[9],說明主要控制截面的剛度滿足設計要求;2)各試驗工況下,主梁主要控制截面測點相對殘余變形在0%～6.36%范圍內,均小于20%,說明橋梁結構在試驗工況下處于彈性工作狀態。

4.3.2 應變測量結果

應變測量結果如表6～表10所示。

表6 工況1作用下應變結果

表7 工況2作用下應變結果

表8 工況3作用下應變結果

表9 工況4作用下應變結果

表10 工況5作用下應變結果

由表6～表10可知:1)各試驗工況下,主梁主要控制截面測點應變校驗系數在0.62～0.86范圍內,均小于1,說明主要控制截面的強度滿足設計要求;2)各試驗工況下,主梁主要控制截面測點相對殘余變形在0%～9.68%范圍內,均小于20%,說明橋梁結構在試驗工況下處于彈性工作狀態。

4.3.3 塔頂水平位移測量結果

塔頂水平位移測量結果見表11。

表11 工況7作用下塔頂水平位移結果

由表11可知:工況7作用下塔頂水平位移校驗系數小于1,說明橋塔剛度滿足規范要求。

4.3.4 索力測量結果

索力測量結果見表12。

表12 工況6作用下索力結果

由表12可知:工況7作用下N9索力增量校驗系數小于1,滿足規范要求,說明斜拉索工作性能良好。

5 動載試驗

5.1 自振特性測試

通過脈動試驗,記錄結構測點豎向振動時域信號,通過傅里葉快速分析,獲得頻譜分析結果,得到橋跨結構的豎向自振頻率,了解橋跨結構豎向自振特性。測試結果如圖6～圖8及表13所示。

表13 實測頻率與理論頻率的比較

由圖6～圖8,表13可知,實測振型與理論振型基本相符,前3階實測頻率均大于理論頻率,阻尼比較小,說明橋梁結構各部件整體性能和技術狀況較好。

5.2 動力響應測試

本次進行動力響應測試是通過載重汽車分別以不同速度進行跑車和剎車試驗測試動力響應。通過動力響應信號測試分析系統實時采集在各種試驗條件下測點的速度時程曲線,通過對時程曲線分析可得到各試驗條件下的最大動應變值,推算實測沖擊系數。測試結果如圖9～圖12及表14所示。

由圖9～圖12,表14可知,實測沖擊系數的平均值小于理論值,說明該(130+110)m獨塔雙索面斜拉橋實際行車舒適度較好。

表14 實測沖擊系數表

6 結論

通過對(130+110)m獨塔雙索面斜拉橋進行荷載試驗計算與實測,得出以下結論:

1)靜載試驗工況下,主要控制截面測點的響應指標(校驗系數、相對殘余變形/應變、塔頂水平位移、索力增量)均小于規范限值要求,表明橋梁在試驗荷載作用下彈性工作狀態良好,主梁、主塔和拉索等受力合理。

2)試驗橋跨實測振型與理論計算振型基本相符,實測頻率大于理論頻率,結構實際剛度大于理論剛度,說明橋梁結構各部件整體性能和技術狀況較好。

3)實測沖擊系數小于理論沖擊系數,說明橋梁實際動力效應小于理論值,行車舒適度較好。

4)綜上所述,該(130+110)m獨塔雙索面斜拉橋強度、剛度具有一定的安全儲備,動力性能良好,承載能力和工作性能滿足設計要求。