獨(dú)塔雙索面斜拉懸臂組合結(jié)構(gòu)橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)研究

李德慧，劉紅生，王國安

(1.江西交通科學(xué)研究院，南昌 330038;2.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043)

1 工程概況

劍邑大橋?yàn)榭缭节M江的一座特大橋梁，主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉—懸臂組合結(jié)構(gòu)橋(55+2×165+55=440)m。主塔為鋼筋混凝土H型塔，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土∏形與箱形組合形式梁，斜拉橋梁、塔、墩固結(jié)。梁上索距8 m，拉索基本平行，斜拉角度約29°，共設(shè)28對拉索。大橋設(shè)計(jì)行車速度60 km/h，設(shè)計(jì)荷載公路I級，人群荷載3.5 kN/m2。橋面有效寬度23.5 m(扣除欄桿)，即2×1.25 m(人行道)+2×2.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+4×3.75 m(行車道)+1.0 m(中央雙黃線)。斜拉橋橋面加寬至28.8 m，主塔附近局部最寬處30.5 m。橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率300年一遇，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30 m/s。主橋立面示意如圖1所示。

圖1 主橋立面及實(shí)驗(yàn)斷面布置示意(單位:m)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)［1-2］

2.1 試驗(yàn)測試內(nèi)容與方法

靜力荷載試驗(yàn)測試內(nèi)容主要有:應(yīng)力控制截面試驗(yàn)荷載下應(yīng)變、試驗(yàn)跨橋梁變形規(guī)律、主塔位移以及拉索荷載下索力變化，試驗(yàn)荷載在∏型主梁的橫隔梁間分配規(guī)律等。

應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變片，由電阻應(yīng)變測量系統(tǒng)測量，索力增量采用頻率測定法測試，由材料特性確定的彈性模量推測斜拉索力增量。位移測量采用高精度全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)多測回觀測。在試驗(yàn)過程中用紅外溫度計(jì)對斜拉索、梁體、主塔進(jìn)行點(diǎn)溫度測量。

動(dòng)力荷載試驗(yàn)研究內(nèi)容主要有:測定橋梁的自振頻率、阻尼特性，沖擊系數(shù)等參數(shù)。

動(dòng)力測試采用速度、加速度拾振器和信號采集處理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并實(shí)施FFT信號處理分析，進(jìn)而得出需要的動(dòng)力參數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)理論分析

結(jié)構(gòu)理論分析采用平面桿系單元模型和空間分析模型。計(jì)算中考慮施工過程和實(shí)際橋梁的成橋內(nèi)力狀態(tài)。梁單元截面采用實(shí)際截面，索單元采用Enrst公式考慮其垂度效應(yīng)，拉索在塔、梁錨固的偏心用剛臂單元考慮。梁、塔、墩固結(jié)部位，為了保證墩、塔、梁變形協(xié)調(diào)，防止固結(jié)部位較寬影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性，采用剛臂單元處理。

2.3 測點(diǎn)布置

根據(jù)理論分析結(jié)果，靜載試驗(yàn)選擇一側(cè)165 m主跨及其相鄰55 m邊跨進(jìn)行試驗(yàn)，在主跨應(yīng)力變化最大截面、跨中截面、墩梁固結(jié)部位附近分別布置應(yīng)變測點(diǎn)。主塔經(jīng)分析，設(shè)計(jì)較為保守，不布置應(yīng)變測點(diǎn)。

位移測點(diǎn)除選擇試驗(yàn)跨的上游側(cè)拉索錨點(diǎn)處布置位移測點(diǎn)，其他部位間隔10 m布置位移測點(diǎn)。主塔塔頂兩肢分別布置一個(gè)位移觀測點(diǎn)。為測試荷載在∏形主梁的橫隔梁間分配規(guī)律，選取相鄰的5根橫隔梁跨中底緣布置單個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。

在理論分析基礎(chǔ)上，動(dòng)載試驗(yàn)選擇橋梁邊跨1/2截面和主跨4分點(diǎn)布置橫橋向和豎向拾振器，在塔頂和塔高2/3處布置橫橋向和順橋向拾振器。

主要試驗(yàn)測點(diǎn)布置如圖2所示，試驗(yàn)內(nèi)力控制截面位置如圖1所示。

圖2 測點(diǎn)布置示意

2.4 試驗(yàn)加載

為方便加載卸載，實(shí)驗(yàn)加載采用多輛載重汽車，單車質(zhì)量30 t，按照荷載等效原則，通過影響線確定試驗(yàn)加載車位置和數(shù)量。進(jìn)行如下加載試驗(yàn):①設(shè)計(jì)活載下邊跨最大正彎;② 2號主墩墩頂最大負(fù)彎;③主跨最大正彎;④主跨跨中最大撓度;⑤最短索受力最不利;⑥塔梁固結(jié)部位最大負(fù)彎;⑦塔頂最大水平位移;⑧重車在橫梁間移動(dòng)加載。

除試驗(yàn)⑧外，靜力試驗(yàn)采用偏載和對稱兩種加載方式，以研究結(jié)構(gòu)的偏載工作性能和對稱工作性能。試驗(yàn)⑦與試驗(yàn)④合并進(jìn)行。

試驗(yàn)⑧加載采用一排4輛試驗(yàn)重車，對稱于橋面中線移動(dòng)加載，考慮橫隔梁間距為4 m，每次移動(dòng)加載車2 m，試驗(yàn)車加載同步順橋移動(dòng)。確定對一根橫梁產(chǎn)生影響的停車位置(試驗(yàn)車使第一根橫梁底緣產(chǎn)生約5個(gè)微應(yīng)變的位置)作為加載起始位置。

靜力試驗(yàn)加載分級進(jìn)行，分級數(shù)不少于3級，通過控制加載車數(shù)量進(jìn)行加載分級。

動(dòng)載試驗(yàn)加載。分別采用脈動(dòng)試驗(yàn)和激振試驗(yàn)(不同車速跑車、越障跳車和急剎車)兩種方式，研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析［3-5］

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為偏載加載最大試驗(yàn)荷載下試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對比。可以看出，偏載加載情況下，根據(jù)實(shí)測應(yīng)力計(jì)算試驗(yàn)橋邊跨偏載系數(shù)在1.04～1.07之間，偏載效應(yīng)不明顯，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)邊跨的箱形截面抗扭剛度較大，抗扭能力強(qiáng)。主跨∏形截面梁偏載系數(shù)實(shí)測1.18～1.14，明顯大于邊跨實(shí)測結(jié)果，表明主跨∏形截面抗扭能力遜于邊跨箱形截面。

表1 偏載加載最大試驗(yàn)荷載下試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對比

偏載及對稱荷載作用下，邊跨與次邊跨加載的最大撓度和最不利應(yīng)力均未超過理論值，且應(yīng)力測試值的絕對量值并不大，卸載后撓度、應(yīng)力殘余極小。各試驗(yàn)下應(yīng)力、撓度(位移)等校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，卸載彈性恢復(fù)非常好，說明主梁、主塔仍處于彈性狀態(tài)工作，具有較好的整體剛度和強(qiáng)度。

實(shí)測拉索應(yīng)力增量(表2)校驗(yàn)系數(shù)在0.75～0.98間，與理論預(yù)期較為吻合，表明拉索工作與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。拉索工作正常。

實(shí)測橋梁豎向撓度(圖3)線形平順光滑，吻合度較高，說明理論計(jì)算模型與實(shí)橋狀態(tài)非常接近。

表2 工況4實(shí)測部分拉索索力變化結(jié)果

圖3 工況4主梁撓度縱向變化規(guī)律

從實(shí)測主跨主梁、主塔變形及拉索索力變化看，實(shí)測值與理論值的吻合度較高，說明本橋選用的獨(dú)塔雙索面斜拉—懸臂組合結(jié)構(gòu)的主梁、主塔、拉索有較好的變形協(xié)調(diào)性。

本橋∏形主梁在汽車荷載作用下，橫隔梁承受的汽車輪載主要在三根橫梁間進(jìn)行分配。最不利情況下，單根橫梁大約承擔(dān)試驗(yàn)荷載的0.42倍。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

表3及表4試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著重車車速增加，實(shí)測動(dòng)位移有微弱的增大趨勢，且隨著車速提高，實(shí)測沖擊系數(shù)微有增大。跑車沖擊系數(shù)實(shí)測最大1.048，小于設(shè)計(jì)規(guī)范建議值1.05。剎車試驗(yàn)的實(shí)測沖擊系數(shù)達(dá)到1.10以上，大于設(shè)計(jì)規(guī)范建議值。

表3 激振試驗(yàn)實(shí)測最大動(dòng)位移值 mm

表4 實(shí)測沖擊系數(shù)結(jié)果

跑車車速達(dá)到30 km/h以上，主跨內(nèi)行車感覺有波動(dòng)感，說明∏形主梁作為行車道系，橫梁間距以及拉索間距對行車舒適有較大影響。

表5為各階實(shí)測振動(dòng)頻率與理論計(jì)算頻率比較，實(shí)測橋梁頻率與理論結(jié)果相近，橋梁豎向側(cè)向振動(dòng)結(jié)果均在理論分析結(jié)果的1.1倍左右，實(shí)際橋梁的整體剛度好于理論值，結(jié)構(gòu)有一定的剛度儲(chǔ)備。實(shí)測結(jié)構(gòu)阻尼較小，說明橋跨結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載激勵(lì)下是小阻尼振動(dòng)，這和斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式一致。主梁一階陣型為主梁豎向彎曲主塔順橋向彎曲，說明結(jié)構(gòu)主梁截面抗彎能力及主塔截面的順橋向抗彎能力稍弱。

實(shí)測及理論分析橋梁的前3階陣型，沒有扭轉(zhuǎn)陣型出現(xiàn)，表明該橋設(shè)計(jì)的獨(dú)塔雙索面斜拉—懸臂組合結(jié)構(gòu)整體抗扭能力強(qiáng)于抗彎能力，這也是本橋?qū)崪y未發(fā)現(xiàn)低階頻率出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)陣型的原因。

表5 各階實(shí)測振動(dòng)頻率與理論計(jì)算頻率比較

4 試驗(yàn)結(jié)論

1)由靜載試驗(yàn)結(jié)果分析可知:在試驗(yàn)荷載下，主梁、主塔的變形性能良好，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。橋跨結(jié)構(gòu)主跨的偏載效應(yīng)較邊跨明顯，說明主跨∏形截面主梁抗扭剛度稍弱。斜拉索受力合理，主梁具有較好的強(qiáng)度和抗彎剛度，試驗(yàn)橋受力性能滿足設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)動(dòng)力試驗(yàn)表明:實(shí)測自振頻率大于理論值，橋跨具有較好的整體抗彎能力和抗扭轉(zhuǎn)性能。實(shí)測結(jié)構(gòu)各振型阻尼比正常，屬于小阻尼振動(dòng)。跑車實(shí)測動(dòng)位移小于剎車、跳車試驗(yàn)，剎車、跳車對橋梁沖擊明顯，建議橋梁使用中做好交通管理和橋梁養(yǎng)護(hù)，盡量保證橋面平順和行車通暢。

［1］徐日昶.橋梁檢驗(yàn)［M］.北京:人民交通出版杜，1989.

［2］交通部公路科學(xué)研究所.大跨度混凝土橋梁試驗(yàn)方法［Z］.北京:交通部公路科學(xué)研究所，1982.

［3］張永厚，張永峰.中山市歧江三橋橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(7):61-64.

［4］胡強(qiáng)，劉建磊，袁磊.高贊大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2008(12):18-21.

［5］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)［M］.北京:中國鐵道出版社，1992:306-323.