大跨度雙塔斜拉橋承載能力評定實(shí)驗(yàn)方法研究

劉紅云

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

1 工程概況

犍為岷江大橋位于國道213 線犍為縣城邊上，跨越岷江，主橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長476 m，跨徑組合為52 m+66 m+240 m+66 m+52 m，橋梁全長886 m。主梁為單箱三室箱型梁，結(jié)構(gòu)體系為塔墩固結(jié)、梁墩分離的懸浮體系。橋墩為鋼筋混凝土雙層門式框架。橋面凈寬組成:9 m 車行道+2 ×1.5 m 人行道;設(shè)計(jì)荷載為汽車－20 級，掛車－100，人群荷載為3.5 kN/m2。

2 荷載實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 有限元計(jì)算模型

利用專業(yè)有限元分析軟件Midascivil 建立全橋的有限元分析模型。全橋共建立693 個節(jié)點(diǎn)，456 個梁單元，116 個軸向受力單元;拉索，索塔，主梁箱梁及墩臺等下部結(jié)構(gòu)四種材料。墩塔進(jìn)行固結(jié)，拉索與主梁及索塔進(jìn)行剛性連接。11#墩及14#墩上拉力擺以拉索單元的形式進(jìn)行模擬，拉索截面以原設(shè)計(jì)截面為準(zhǔn)。

2.2 靜載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

主橋?yàn)殡p塔雙索面對稱斜拉橋，主跨跨徑組合為52 m+66 m+240 m+66 m+52 m。根據(jù)主梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，擬在主梁上設(shè)置4 個試驗(yàn)斷面。

(1)主梁位于五通側(cè)的52 m 邊跨跨中最大正彎矩截面(A－A)加載試驗(yàn)。

(2)主梁位于五通側(cè)的66 m 邊跨跨中最大正彎矩截面(B－B)加載試驗(yàn)。

(3)主跨主梁四分之一跨截面(C－C)加載試驗(yàn)。

(4)主跨主梁跨中最大正彎矩截面(D－D)加載試驗(yàn)。

2.3 動載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)脈動試驗(yàn):用于測定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動特性，包括固有頻率、振型和阻尼比。

(2)無障礙行車試驗(yàn):主要用于測定主橋主跨跨中最大正彎矩截面D－D，在橋面完好時車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動載響應(yīng)和沖擊系數(shù)。

(3)跳車試驗(yàn):主要用于測定主跨跨中最大正彎矩截面D－D，模擬在橋面鋪裝局部損傷的情況下，橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動載響應(yīng)和沖擊系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

3.1 靜載實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

對于該橋而言，試驗(yàn)荷載擬采用載重汽車充當(dāng)。所需車輛荷載的數(shù)量，根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載產(chǎn)生的該檢驗(yàn)項(xiàng)目(內(nèi)力和位移等)的最不利效應(yīng)值，以滿足下式所定原則等效換算而得

式中:η 為靜力試驗(yàn)荷載效率;Sstate為試驗(yàn)荷載作用下某一檢驗(yàn)項(xiàng)目最大計(jì)算效應(yīng)值;S 為設(shè)計(jì)控制荷載作用下該檢驗(yàn)項(xiàng)目的最不利計(jì)算效應(yīng)值;μ 為規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)控制荷載計(jì)算各控制截面的彎矩，并依此進(jìn)行試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)。試驗(yàn)加載的效率系數(shù)見表1，從表中可以看出主橋加載效率系數(shù)介于0.90 ～0.97。

主橋試驗(yàn)車輛共需4 輛三軸載重車，每輛車總重400 kN。

表1 主橋加載工況的計(jì)算彎矩、試驗(yàn)彎矩及相應(yīng)的荷載效率系數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)截面為單箱三室箱型截面，除箱室頂、底板應(yīng)力測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定可靠，截面高度中見間部位等應(yīng)力測點(diǎn)因靠近截面中性軸，測試數(shù)據(jù)絕對值很小，不夠穩(wěn)定，所以只對箱室頂、底板附近測試結(jié)果進(jìn)行分析。靜載實(shí)驗(yàn)截面應(yīng)力測試結(jié)果見表2 所示。

表2 主橋各加載工況下應(yīng)力實(shí)測值

由表可知，試驗(yàn)截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)介于0.50 ～0.85 之間，截面校驗(yàn)系數(shù)處于合理范圍，梁體具有較好的強(qiáng)度儲備。

主橋試驗(yàn)跨在各加載工況下實(shí)測撓度值與理論計(jì)算值的比較見表3 ～表6 所示。

表3 主橋A－A 加載工況下?lián)隙葘?shí)測值與計(jì)算值比較

表4 主橋B－B 加載工況下?lián)隙葘?shí)測值與計(jì)算值比較

表5 主橋C－C 加載工況下?lián)隙葘?shí)測值與計(jì)算值比較

表6 主橋D－D 加載工況下?lián)隙葘?shí)測值與計(jì)算值比較

由表3 ～表6 可以看出，各加載工況下，主橋試驗(yàn)跨撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.50 ～1.00 之間，檢驗(yàn)系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，箱梁梁體具有較好的剛度儲備。

斜拉索是斜拉橋主要受力構(gòu)件，斜拉索工作正常與否直接關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)及安全。為了評價斜拉索的當(dāng)前工作狀態(tài)，對斜拉索在各加載工況下最大索力增量變化進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表7 所示。

表7 各加載工況下最大索力變化實(shí)測值與計(jì)算值比較

從測試結(jié)果可以看出:各加載工況下最大索力變化介于0.58 ～0.64 之間，處于正常范圍內(nèi)。試驗(yàn)表明斜拉索工作狀況正常。

3.2 動載實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

自振測試采用脈動法(環(huán)境激勵)進(jìn)行測試;動載試驗(yàn)荷載擬用一輛載重汽車作為加載荷載，沿橋面行車道中心線以不同速度通過實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測值與計(jì)算值比較見表8;實(shí)測自振頻譜圖見圖3 所示。

表8 橋梁自振頻率實(shí)測值與計(jì)算值比較

圖1 主橋?qū)崪y自振頻譜圖

根據(jù)測試結(jié)果可知:實(shí)測值與計(jì)算值符合較好且略大于計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體具有較好的剛度特性。

行車激振荷載作用下，主橋D－D 截面的行車沖擊系數(shù)見表9 所列，各行車激振工況下沖擊系數(shù)與行車速度的關(guān)系見圖4，典型行車時程曲線如圖5 所示。

表9 主橋D－D 截面行車沖擊系數(shù)

圖2 主梁D－D 截面行車沖擊系數(shù)曲線圖

由表8 及圖2 可以看出，D－D 截面的行車沖擊系數(shù)介于1.09 ～1.22 之間，行車沖擊系數(shù)隨著行車速度的提高而提高，行車速度由5 km/h 變化到20 km/h 時沖擊系數(shù)提高得較快，以后則趨于穩(wěn)定，略有提高。整體而言行車沖擊系數(shù)處于正常范圍。

圖3 主梁D－D 截面40 km/h 行車時程

跳車激振荷載作用下，D－D 截面跳車沖擊系數(shù)見表10所列，各跳車激振工況下沖擊系數(shù)與跳車速度的關(guān)系見圖4所示，典型跳車時程曲線如圖3 所示。

表10 D－D 截面跳車沖擊系數(shù)

圖4 主梁D－D 截面跳車沖擊系數(shù)曲線圖

從表9 及圖4 可以看出，D －D 截面的跳車沖擊系數(shù)介于1.21 ～1.47 之間，該橋跳車沖擊系數(shù)隨跳車車速呈現(xiàn)雙駝峰變化趨勢，在5 km/h 附近及20 km/h 附近分別達(dá)到?jīng)_擊系數(shù)極大值，在15 km/h 附近呈現(xiàn)凹部。整體而言，橋跨結(jié)構(gòu)跳車沖擊系數(shù)處于正常范圍。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍，梁體具有較好的強(qiáng)度儲備。試驗(yàn)跨撓度結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)，箱梁梁體具有較好的剛度儲備。各加載工況下最大索力變化校驗(yàn)系數(shù)處于正常范圍內(nèi)，表明斜拉索工作狀況正常。橋梁自振頻率實(shí)測值與計(jì)算值符合較好且略大于計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的剛度。實(shí)驗(yàn)截面的行車沖擊系數(shù)介于1.09 ～1.22 之間，處于正常范圍，橋梁在正常運(yùn)營過程中可以預(yù)見將不會產(chǎn)生異常大的行車沖擊。跳車沖擊系數(shù)介于1.21 ～1.47 之間，處于正常范圍，橋梁在正常運(yùn)營過程中可以預(yù)見將不會產(chǎn)生異常大的跳車沖擊。

荷載實(shí)驗(yàn)對于測試大跨度斜拉橋?qū)嶋H承載能力及運(yùn)營現(xiàn)狀而言直觀可行，測試數(shù)據(jù)具有顯而易見的針對性和實(shí)用性，可以較為準(zhǔn)確地評價橋梁的當(dāng)橋服役狀況。

［1］嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1995.

［2］林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［3］交通部公路科學(xué)研究所，交通部公路局技術(shù)處，交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［M］. 北京:人民交通出版社，1982.