三塔四跨矮塔斜拉橋荷載試驗與結構總體評價

陳倫升，陳 波，張 磊，翟 磊，易炳疆(.中冶賽迪建筑市政設計有限公司，四川成都 6004； .招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400060)

三塔四跨矮塔斜拉橋荷載試驗與結構總體評價

陳倫升1，陳 波1，張 磊1，翟 磊1，易炳疆2
(1.中冶賽迪建筑市政設計有限公司，四川成都 610041； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400060)

以拉薩市納金大橋為工程實例，介紹了此類橋梁荷載試驗的一般方法，建立了該橋的有限元模型，并將各工況下計算所得理論值與實測值進行對比分析。荷載試驗結果表明，拉薩納金大橋動靜載性能良好，剛度和承載能力滿足設計要求。

矮塔斜拉橋；三塔四跨；荷載試驗

矮塔斜拉橋是介于斜拉橋和梁式橋之間的組合體系橋型，在100～300 m跨度上有較好的經濟特性和美學效果[1]。

掌握橋梁的實際承載能力和運營狀況，最有效的手段是進行荷載試驗[2]。本文以拉薩納金大橋為工程依托，通過靜動載試驗和有限元模型結果的對比分析，對實測數據進行校核和分析，驗證該橋剛度和承載能力能否滿足設計要求，分析過程和結果可為同類橋梁的設計、施工提供參考，為該類橋梁竣工驗收、運營和養護提供科學依據[3]。

1 工程概況

納金大橋位于拉薩市的東郊，溝通拉薩河兩岸，北接北繞城公路，南接318國道，是拉薩市區跨河通道和環城道路的重要紐帶。納金大橋為70 m+117 m+117 m+70 m三塔四跨單索面矮塔斜拉橋(圖1)。塔梁固結，墩塔分離，在墩頂設置支座。橫向布置為33.00 m=3.00 m(人行道)+11.75 m(行車道)+3.50 m(中央分隔帶)+11.75 m(行車道)+3.00 m(人行道)(圖2)。該橋荷載標準為：汽車活載為公路-I級，人群荷載3.0 kN/m2。

圖1 橋梁立面與靜載試驗控制截面布置示意(單位：m)

圖2 標準斷面與靜載主梁應變撓度測點布置示意(單位：m)

2 有限元模型

采用橋梁專用有限元軟件MIDAS/Civil對納金大橋進行整體計算。有限元模型中，主梁、塔、墩和承臺采用188個空間梁單元模擬，斜拉索采用84個桁架單元模擬，主梁與拉索間采用彈性連接的剛性連接。該橋有限元模型如圖3所示。

圖3 整體分析有限元模型

3 靜載試驗

3.1 測點布置

針對該橋結構特點，選取22個截面作為測試控制截面，其中K4、K5、K10、K11、K16、K17為塔肢截面，K20～K22為拉索截面，其余為主梁截面。控制截面位置見圖1，主梁撓度和應變、橋塔撓度布置見圖2，橋臺應變布置見圖4。

圖4 橋塔應變測點布置示意

3.2 試驗工況

結合三塔四跨矮塔斜拉橋的受力和結構特點，選擇主邊跨跨中、1/4跨截面、塔梁交界處截面、主邊塔塔底最大彎矩截面、主邊塔頂最大偏位截面以及主邊索最大索力截面以試驗截面確定靜載試驗測試工況。由于納金大橋結構對稱和篇幅限制，僅列出部分工況(表1)。依據納金大橋的設計荷載等級，現場采用3軸重車(350 kN/輛)進行等效加載，按內力影響線布置車輛加載，每個工況分正載和偏載。受篇幅限制，本文不予給出具體布置圖示，試驗荷載效率(表1)滿足規范要求。表1中車輛“排”為橋橫向，“列”為橋縱向。

表1 靜載試驗工況和加載效率

3.3 靜載試驗結果分析

3.3.1 應變測試結果

圖5為邊主跨跨中K1和K7截面最大正彎矩工況(工況1、工況2)、邊主塔塔梁交界處K3、K9截面主梁最大負彎矩工況(工況2、工況5)、邊主塔K4和K10截面最大彎矩工況(工況3、工況6)。

圖5 5個典型工況下應變實測值和理論值(單位：μs)

試驗過程中，梁塔控制界面的應變絕對值均未超限，實測值均小于理論值，校驗系數為0.55～0.77，說明結構強度滿足設計要求并具有一定的安全儲備。經計算，相對殘余應變最大為18.5 %，未超過結構應變的20 %，說明結構處于較好的彈性工作狀態。

3.3.2 位移測試結果

主梁撓度測點布置如圖2所示，部分主梁控制截面的撓度實測值和理論值如圖6所示。最大試驗荷載作用下，各試驗控制截面撓度均未超限，實測值小于理論值，撓度校驗系數范圍為0.22～0.87，相對殘余變位最大值16.7 %，未超過結構變位的20 %，滿足規范要求。圖6中撓度以向下為負。

圖6 北側主梁控制截面撓度實測和理論值(單位:mm)

針對塔頂縱向偏位工況(工況2、工況7)，各塔最大試驗荷載作用下塔頂偏位觀測結果列于表2(偏位以向納金路為負，向川藏公路為正)。可以看出，塔頂實測縱向偏位在最不利荷載作用下，最大值均小于理論值，偏位測點校驗系數為0.64～0.8，實測和理論值吻合度較高，卸載后的殘余變位均較小，相對殘余變位小于20 %(相對殘余為“/”表示殘余應變與總應變異號)。

表2 塔頂縱向偏位實測和理論值 mm

3.3.3 最大索力增量測試結果

索力增量測試取工況11，采用頻率法[4]加載測試。在試驗荷載作用下，最大索力增量測試結果見圖7。可以看出，實測索力最大增量均小于相應理論計算值，校驗系數為0.4～0.87，卸載后的殘余值均很小，相對殘余值為0.0 %。

圖7 索力增量實測和理論值(單位:kN)

4 動載試驗

動載試驗主要通過環境脈動試驗和強迫振動試驗[6]來測定橋梁的自振特性以及在車輛動荷載作用下的動力響應，從而獲得納金大橋的動力性能參數。

4.1 脈動試驗和基本動力特性

動載試驗主要測試橋梁結構的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性[7]。在橋位附近無規則振源以及橋面無任何交通荷載的情況下，采用隨機振動法測試橋梁結構由于橋址處風荷載、水流和地脈動等隨機荷載激振引起的微幅振動響應，以分析箱梁的動力特性[2]。

通過將拾振器布置在結構振動關鍵部位(圖8、圖9)激發結構共振，記錄各部位的振幅與相位，對照各測點的振幅與相位即可繪制振型曲線。實測模態參數和理論值如表3所示。

圖示：D1～D10為加速度測試截面；J1～J7為動應變測試截面圖8 動載試驗截面位置示意(主梁截面位置與靜載相同)

圖9 動力特性和響應試驗截面測點布置示意

橋梁主橋結構各階振動頻率實測值均分別大于其理論計算值，振型一致。礙于篇幅限制，僅列出前兩階振型，如圖10和圖11所示。

表3 結構自振特性測試結果

圖10 第1階振型

圖11 第2階振型

4.2 強迫振動試驗和沖擊系數

通過無障礙行車和剎車試驗，測試主梁截面的動應變和沖擊系數。依據本次試驗目的及現場情況，采用4輛三軸載重車(350 kN級)沿車行道中線以5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h勻速行駛通過全橋進行動力響應測試，每個時速分別采用對稱和單向兩種加載方式，并在30 km/h的速度下進行行車制動加載。

選取邊主跨跨中和墩頂共7個截面進行行車試驗(圖8)。由于篇幅限制，僅列出J5截面30 km/h勻速跑車和J7截面30 km/h剎車工況下的動力響應曲線，如圖12、圖13所示。南北邊跨跨中截面沖擊系數分別為：0.004～0.030、0.019～0.23，南北中跨跨中截面沖擊系數分別均為：0.004～0.027，2#、1#墩墩頂沖擊系數分別為：0.004～0.038、0.007～0.039，實測最大沖擊系數為0.039。依據《公路橋涵設計通用規范》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規定，實測最大沖擊系數0.039小于相應理論計算值0.05，滿足規范要求。

5 結束語

(1)在靜載作用下，納金大橋各測試截面實測應變值和

位移值均小于理論計算值，各測點應變和位移校驗系數均滿足要求。表明納金大橋各結構部位均在理論計算范圍內工作，其強度和剛度滿足設計要求。所有測點相對殘余應變和殘余位移均小于規范允許值20 %，說明結構處于良好的彈性狀態。

(2)在環境脈動試驗中，納金大橋實測自振頻率均大于理論計算值，說明該橋整體動力剛度偏大，滿足設計要求。在多速度的強迫振動工況下，結構實測沖擊系數均小于相應設計規范計算值。

[1] 陳從春.矮塔斜拉橋設計理論核心問題研究[D].同濟大學,2006.

[2] 易炳疆,胡建新.公軌兩用單索面鋼桁梁斜拉橋荷載試驗與承載能力評定[J].公路與汽運,2015(1):184-189.

[3] 宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].人民交通出版社,2002.

[4] JTG/TJ21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[5] 方志,張智勇.斜拉橋的索力測試[J].中國公路學報,1997,10(1):51-58.

[6] 苑春艷.橋梁荷載試驗和模態分析[J].世界橋梁,2002(2):40-43.

[7] 朱保華.矮塔斜拉橋的動力特性及地震響應分析[D].西南交通大學,2008.

陳倫升(1983～)，男，本科，工程師，主要從事橋梁設計及相關研究工作。

U446.1

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[定稿日期]2016-05-09