重慶東水門公軌兩用斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

2016-10-28 07:57:16伍靜單積明向勇

公路與汽運(yùn) 2016年1期

伍靜，單積明，向勇

（北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，重慶　401121）

伍靜，單積明，向勇

（北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，重慶401121）

重慶東水門大橋?yàn)榭缭介L江的雙塔單索面斜拉橋，分為上、下兩層，上層設(shè)置人行道及雙向四車道，下層是雙向軌道線。為了解大橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)受力狀況，判斷其實(shí)際承載能力，評價(jià)大橋在設(shè)計(jì)使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能，采用等效荷載加載試驗(yàn)?zāi)M斜拉橋在最不利荷載作用下的工作狀態(tài)，測試并分析各靜載工況下主梁撓度、主梁與主墩控制截面應(yīng)力、斜拉索索力及索塔偏位；通過動(dòng)力試驗(yàn)了解橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性及其在長期使用荷載作用下的動(dòng)力性能，分析橋跨結(jié)構(gòu)在行車荷載下的沖擊作用，為橋梁維修、管理提供技術(shù)依據(jù)。

橋梁；斜拉橋；雙塔單索面；鋼桁架；承載能力；荷載試驗(yàn)

1　工程概況

東水門大橋主橋?yàn)?22.5 m+445 m+190.5 m雙塔單索面斜拉橋，全長962 m。主梁采用雙層桁架梁，標(biāo)準(zhǔn)截面梁寬24 m，梁高12 m。主橋橋?qū)?4 m，上層為雙向四車道，下層為雙線軌道通行。橫向布置，上層為3 m人行道+8 m車行道+2 m拉索區(qū)+8 m車行道+3 m人行道，下層為1.8 m檢修道+10.4 m雙向軌道+1.8 m檢修道。主梁桁架采用變高度的三角形桁式，全橋采用等節(jié)間布置，節(jié)間長度16 m。上、下層橋面均采用正交異性鋼橋面板。下層橋面橫橋向共設(shè)置兩組地鐵縱梁，中心間距為4.6 m，地鐵縱梁上設(shè)置整體式砼道床板和60 kg/m鋼軌作為地鐵走行軌道。該橋立面和標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見圖1～3。

圖1　橋梁立面與靜載試驗(yàn)測試截面示意圖（單位：cm）

設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車荷載為雙向四車道，公路-Ⅰ級(jí)；軌道荷載為雙向軌道交通，國家標(biāo)準(zhǔn)B1車型，6輛車編組，軸重140 k N，編組總長112.4 m；計(jì)算分布荷載29.9 k N/m；人群荷載，全橋總體計(jì)算時(shí)荷載集度采用2.875 k N/m2。

圖2　拉索橫梁斷面（單位：mm）

圖3　主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

2　有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 2012進(jìn)行建模分析。計(jì)算時(shí)主梁采用Q345鋼材，彈性模量Ec=2.06× 105MPa，容重γ=78 k N/m3；主塔采用C50砼，彈性模量Ec=3.55×104MPa，容重γ=26 k N/m3。建模時(shí)主梁、主塔采用空間梁單元模擬，主梁采用單主梁方式，通過剛臂與斜拉索連接，拉索采用桁架單元，分別計(jì)算試驗(yàn)荷載對結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的最不利內(nèi)力，并按該內(nèi)力值進(jìn)行等效加載。有限元模型見圖4。

圖4　東水門長江大橋有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型

3　靜載試驗(yàn)

3.1應(yīng)變測點(diǎn)布置

針對該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取8個(gè)截面作為測試控制截面（見圖1）：主梁中跨最大正彎矩截面、橫梁應(yīng)力測試截面（K5）；主梁中跨1/4截面最大正彎矩截面（K4）；主梁邊跨最大正彎矩截面（K2）；塔梁交界處主梁最大負(fù)彎矩截面（K3）；塔梁交界處塔身截面最大彎矩截面（K6）；塔頂最大偏位加載截面（K7、K8）；南岸區(qū)伸縮縫梁端轉(zhuǎn)角測試截面（K1）。測點(diǎn)布置見圖5～6。

圖5　主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置（單位：mm）

3.2撓度測點(diǎn)布置

撓度測點(diǎn)布置在橋面左右兩側(cè)（即靠近兩側(cè)人行道路緣石的位置，見圖7）。共布置32個(gè)，其中上游測點(diǎn)為N11-1、N21-1、N31-1、…、N161-1，下游測點(diǎn)為N12-1、N22-1、N32-1、…、N162-1 （見圖8）。

圖6　拉索橫梁斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置（單位：mm）

圖7　主橋豎向變形測點(diǎn)橫向布置（單位：mm）

3.3塔頂偏位測點(diǎn)布置

主塔塔頂水平變位測點(diǎn)分別布置在南岸側(cè)、北岸側(cè)主塔頂部，每個(gè)塔布置1個(gè)測點(diǎn)，南塔、北塔測點(diǎn)編號(hào)分別為P1、P2。

3.4試驗(yàn)工況

根據(jù)鋼桁架梁斜拉橋的受力特點(diǎn)和規(guī)范要求，選擇主跨跨中截面、主跨1/4截面、塔（墩）梁交界處截面、主塔最大彎矩截面、塔頂最大偏位截面進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)中采用三軸重車（320 k N/輛）和軸重140 k N的B1型列車（6組編）進(jìn)行等效加載，車輛載位按照內(nèi)力影響線布置，每種工況分正載和偏載。設(shè)計(jì)荷載按列車（雙線的90％）+汽車（75％）+人群（75％）考慮，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用有限元軟件進(jìn)行建模分析。通過分析計(jì)算各截面最不利荷載作用下的內(nèi)力變化，確定具體加載位置。荷載試驗(yàn)效率和加載截面見表1。

3.5靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.5.1位移測試結(jié)果

主梁控制截面K2、K4、K5撓度實(shí)測值與校驗(yàn)系數(shù)見表2～4。

圖8　主橋主梁豎向變形測點(diǎn)布置（單位：cm）

表1　東水門大橋荷載試驗(yàn)加載效率

表2　K2截面正彎矩工況下?lián)隙葴y試結(jié)果

表3　K4截面正彎矩工況下?lián)隙葴y試結(jié)果

表4　K5截面正彎矩工況下?lián)隙葴y試結(jié)果

從表2～4可以看出：在試驗(yàn)荷載作用下，各試驗(yàn)截面撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.66～0.81，卸載后的殘余變形均小于20％，滿足規(guī)范要求。

3.5.2塔頂偏位測試結(jié)果

試驗(yàn)荷載作用下，塔頂縱向偏位測試結(jié)果與校驗(yàn)系數(shù)見表5。由表5可知：在最大試驗(yàn)荷載作用下，塔頂實(shí)測縱向最大偏位為100.6 mm，小于理論計(jì)算值；偏位校驗(yàn)系數(shù)為0.65～0.78，卸載后相對殘余小于20％，滿足規(guī)范要求。

3.5.3應(yīng)變測試結(jié)果

試驗(yàn)荷載作用下，主梁應(yīng)變測試結(jié)果見表6～ 7。從表6～7可以看出：在最大試驗(yàn)荷載作用下，主梁各測試截面應(yīng)變均小于理論計(jì)算值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.81～0.84，卸載后相對殘余應(yīng)變均小于20％，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

3.5.4最大索力增量測試結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，利用頻率法對部分斜拉索進(jìn)行索力增量測試。根據(jù)測結(jié)果，實(shí)測斜拉索索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.83，實(shí)測最大相對殘余索力小于20％，表明拉索處于較好的彈性工作狀態(tài)。

表5　試驗(yàn)荷載作用下主塔縱向水平位移測試結(jié)果

表6　K5截面應(yīng)變測試結(jié)果

3.5.5梁端轉(zhuǎn)角測試結(jié)果

為了測試試驗(yàn)荷載作用下主梁梁端的位移，在1#伸縮縫處梁端頭上下游分別布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測試，根據(jù)測量結(jié)果對梁端的轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：在邊跨最大正彎矩試驗(yàn)荷載作用下，梁端轉(zhuǎn)角為0.002 rad，理論計(jì)算值為0.003 1 rad。

續(xù)表6

表7　K2～K4截面應(yīng)變測試結(jié)果

3.5.6試驗(yàn)結(jié)論

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，東水門大橋主要控制截面的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

4　動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)的動(dòng)力反應(yīng)主要包括環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，用于了解橋梁的自振特性和在使用荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，確定橋梁的動(dòng)力性能。東水門大橋動(dòng)力荷載試驗(yàn)包括：1）脈動(dòng)試驗(yàn)。測定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性，包括振型、頻率、阻尼比。2）車輛行車激振試驗(yàn)。包括跑車試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)，跑車試驗(yàn)主要測試試驗(yàn)截面在汽車速度為10 ～40 km/h、列車速度為5～60 km/h時(shí)的沖擊系數(shù)，剎車試驗(yàn)主要測試試驗(yàn)截面在急剎車條件下的沖擊系數(shù)，跳車試驗(yàn)主要測試跨中截面在跳車激勵(lì)下的振幅響應(yīng)、阻尼比，公軌跑車試驗(yàn)主要測試試驗(yàn)截面在汽車和列車同時(shí)以20、40 km/h速度行駛時(shí)的沖擊系數(shù)。其中跑車試驗(yàn)分為公路、軌道（單線、雙線跑車）兩種情況。

4.1橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

主橋橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)測試結(jié)果見表8。從表8可知：實(shí)測豎向各階頻率均大于計(jì)算頻率，實(shí)測各階阻尼比在正常范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)豎向動(dòng)剛度指標(biāo)良好。

表8　主橋橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)測試結(jié)果

4.2行車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)分析

跑車工況分為汽車跑車，時(shí)速為10～40 km/h 共4種工況；列車跑車，時(shí)速為5、20、40、60 km/h 共4種工況；公軌跑車，時(shí)速為20、40 km/h共2種工況；軌道會(huì)車，時(shí)速為20、40 km/h共2種工況及剎車工況。實(shí)測動(dòng)應(yīng)力增大系數(shù)k值（即1+μ）為1.00～1.05，小于規(guī)范計(jì)算值。跑車、剎車及會(huì)車試驗(yàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)檢測結(jié)果見表9～10。