斜塔斜拉橋靜載試驗分析研究

馮 婉

(山西路橋集團第一工程有限公司，山西 太原 030000)

1 橋梁概況

西安市主橋為工程實例，該橋單塔式斜拉橋、半漂浮體系。跨徑布置為145 m+48 m+42 m。48 m+42 m為邊跨范圍，145 m為主跨范圍，如圖1所示。主橋橫斷面布置為：0.8 m(風嘴)+1.1 m(拉索錨固區)+0.25 m(人行道欄桿)+2 m(人行道)+10.5 m(機動車道)+0.5 m(雙黃線)+10.5 m(機動車道)+2 m(人行道)+0.25 m(人行道欄桿)+1.1 m(拉索錨固區)+0.8 m(風嘴)，總寬29.8 m。[1]

主塔在主梁結構以上部分高78 m，傾角75°，主塔采用拱形塔，主梁從塔中穿過。斜拉索采用密索布置形式，主跨立面布置21根斜索，索距6 m；邊跨布置21根斜索，索距3.8 m，拉索在主塔上間距自上而下由2.5 m漸變到3.8 m。在主跨主梁索距6.0 m，邊跨索距3.8 m，拉索采用扇形索形式，主跨拉索傾角為24.9°～47.5°，邊跨拉索傾角為46.3°～70.5°。斜拉索采用多股平行鋼絲成品索，斜拉索編號從主塔到鋼箱梁側(主跨)編號為C1～C21，從主塔到預應力箱梁側編號為C1′～C21′。[1]

主梁采用混合梁形式，主梁的斷面形式根為雙箱雙室薄壁型斷面。主跨采用鋼箱梁，邊跨采用預應力混凝土箱梁，混凝土等級為C50，結合位置位于主跨距主墩12.5 m處。荷載標準：城-A級、人群4.0 kN/m2。峰值加速度0.2 g，特征周期0.45 s，設防烈度8°。[1]

2 控制斷面選擇

對于斜塔斜拉橋結構形式，根據計算得到的該橋在設計活荷載作用下的彎矩、應變及主塔位移，并根據文獻[2]和文獻[3]的相關要求，最終確定該橋在活載作用下主梁和索塔上最不利截面(控制截面)的具體位置，作為本次試驗的測試截面。

(1)應變測點

在箱梁底板及腹板布設縱向應變測點，橫隔板在橋面中心線位置沿寬度方向布置橫橋向應變測點。其中鋼箱主梁每個測試斷面設縱向應變測點6個，橫向應變測點1個，邊跨混凝土箱梁測試斷面設置縱向應變測點6個，橫向測點1個，主塔塔根截面設置縱向應變測點3個，主塔測試斷面設置應變測點12個。[1]

(2)撓度測點

撓度測點設置于主梁兩側，采用全站儀和水準儀協同觀測主梁豎向變位及塔頂水平位移。主梁撓度及主塔變位測點布置如圖1所示，主梁撓度橫橋向測點布置如圖1所示。[1]

(3)主梁縱橋向變位測點

主梁縱橋向測試斷面布置于主跨，沿橫橋向上下游兩側護欄上各布置一個測點，采用機電百分表進行變位測量。[1]

(4)索塔塔頂變位測點

索塔塔頂變位測點設置于塔頂縱橋向兩端，采用全站儀進行觀測。[1]

(5)斜拉索索力增量測點

各測試工況下，對典型截面部分斜拉索進行索力增量測試，根據活載作用下的索力增量計算結果，選擇相應的斜拉索作為索力增量的測試對象。斜拉索編號從主塔到鋼箱梁側(主跨)編號為C1～C21，從主塔到預應力箱梁側編號為C1′～C21′。[1]

圖1 撓度測點橫橋向布置位置示意圖(單位：mm)

3 大橋靜載試驗研究

3.1 試驗工況

運用靜載試驗效率來評價靜載試驗可靠度[4-6]，計算試驗彎矩內力值與設計值對比計算，確保該橋荷載效率滿足規范要求。各工況試驗加載效率分析結果見表1，10種不同加載工況下的荷載效率均在1.0附近，說明本次加載效果良好。

表1 主要測試工況及測試內容一覽表

分析表1所列出的各項數據可以看出：在連續所給出的各10個工況測試截面在試驗荷載下的加載效率基本滿足文獻[1]的規定，試驗結果符合荷載試驗規程要求。

3.2 荷載選擇

為選擇合適的荷載，進而全面測試加載效果的有效性。本次現場試驗采用4輛35 t的重型車開展現場荷載試驗，各加載車型布置圖見表2。

表2 加載車輛軸重匯總

3.3 荷載試驗結果

除此以外，本次還采用邁達斯有限元軟件建立了全橋有限元數值仿真分析模型，本次有限元采用兩單元建模，截面尺寸和荷載施加按照表中施加的工況進行。

下面圖4和圖5給出了表1和表2中不同組合工況下現場測試的應變和撓度結果，并與有限元分析結果進行了對比。由圖可知，有限元分析結果與現場實測的結果吻合較好。說明了本橋的位移和應力均能夠滿足相關要求。

(1)索力增量檢測結果

本橋在工況10試驗荷載作用下的索力增量實測值與計算值對比詳見圖2～圖5。

(2)撓度檢測結果

本橋在工況1、2、3、7、8、9試驗荷載作用下的各測點撓度實測值域計算值對比。

圖3 工況10上游段斜拉索索力實測值與計算值對比曲線圖

圖4 工況10下游段斜拉索索力實測值與計算值對比曲線圖

圖5 工況10下游段斜拉索索力實測值與計算值對比曲線圖

(3)應變檢測結果

本橋在工況1、2、3、4、5、6、7、8試驗荷載作用下的各測點應變實測值域計算值對比。

橋梁在試驗工況下索力增量檢驗系數在0.55～0.84之間，撓度檢驗系數在0.62～0.71之間，應變檢驗系數在0.66～0.73之間，各測試截面索力增量、應力、撓度(變位)等測點測試結果的漸變趨勢均與理論計算吻合，均滿足規范要求。

4 結 論

(1)橋梁運營過程中，試驗測試的關鍵截面的內力和變形均為控制關鍵的受力截面，數據真實有效能夠反應橋梁結構受力狀況。

(2)各荷載組合下，主梁最大豎向撓度110 mm小于規范規定值L/400，營運階段滿足要求；斜拉索安全系數[29]不應小于2.5，即拉索容許應力為0.4fpk=0.4×1 670=668 MPa，斜拉索在荷載組合最不利工況應力為665 MPa，營運階段斜拉索滿足要求。

(3)溫度整體升降溫對橋塔鋼混結合段影響較大。

(4)主梁在混凝土梁段上緣最大壓應力為6.9 MPa，最大拉應力為1.4 MPa，下緣最大壓應力為16.2 MPa，最大拉應力為1.7 MPa；在主跨鋼箱梁段上緣最大壓應力為39.5 MPa，最大拉應力為11 MPa，主梁下緣最大壓應力為64.4 MPa，最大拉應力為32.4 MPa。上述材料滿足規范要求。

(5)各偏載工況下，左、右側撓度和應變漸變趨勢與理論計算相符，橫向抗扭剛度良好。

(6)全橋在荷載試驗過程中未出現裂縫，該橋抗裂性能良好。