基于現場試驗與檢算的協作體系矮塔斜拉橋承載能力研究

王 偉

(重慶中科建筑工程質量檢測有限公司 重慶市 400080)

矮塔斜拉橋是近些年發展起來的新穎橋型，剛度比普通斜拉橋大，跨越能力又強于連續剛構橋，具有施工成熟便捷、橋跨布置靈活、經濟性能良好等特點[1-2]。協作體系斜拉橋一般是將連續梁(剛構)橋與(矮塔)斜拉橋組合形成協作受力的結構體系，具有兩者的優點，二者結合使得跨越能力更大、主梁受力改善明顯等[3-4]。目前關于矮塔斜拉橋荷載試驗的研究僅是針對矮塔斜拉橋本身而言，對于協作體系的矮塔斜拉橋的承載能力研究甚少。以運營期內協作體系矮塔斜拉橋為實例，首先通過荷載試驗測試出橋梁結構在當前狀態下的實際受力狀況及其工作性能，然后采用折減系數法對橋梁的承載能力進行了檢算。

1 工程概況

橋梁采用雙塔雙索面矮塔斜拉橋+連續剛構橋+連續梁橋組合形成的協作結構體系，跨徑布置為(66+75+75+145+250+145)m。矮塔斜拉橋的支撐體系采用墩塔梁固結方式，連續梁與連續剛構的支撐體系為除0#、6#臺及1#墩頂設置滑動支座外，其余部位均采用固結約束。主梁采用C60混凝土，采用單箱單室箱型斷面，全橋共52對斜拉索，在梁上的標準間距為5.0m，塔上的標準間距為1.5m。橋面標準寬度為28.0m，橫向布置為1.5m(拉索區)+12.0m(行車道)+1.0m(分隔帶)+12.0m(行車道)+1.5m(拉索區)。設計荷載為公路-I級，按雙向六車道設計。橋型布置見圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

2 荷載試驗

2.1 截面選取

結合理論計算結果與《試驗規程》的相關規定[5]，選取最不利受力截面作為荷載試驗的控制截面，并以此作為試驗加載的依據，具體見圖1所示。為減小試驗耗時與提高加載效率，以加載車最少的加載次數同時滿足多個試驗控制項目為目標進行載位布置[6]。各控制截面的試驗項目與橋梁測試工況及所需加載車輛見表1所示，表1中采用總重300kN的三軸加載車。

從表1可得出，9個控制截面、5個試驗工況下，各試驗工況控制截面的荷載試驗效率均在0.95～1.05范圍內，滿足《試驗規程》要求[5]。

表1 橋梁試驗加載工況與荷載試驗

橋梁變位測點布置在每個控制截面距離兩側防撞護欄10cm的橋面上，測試橋梁在試驗荷載作用下的變位情況；應變測點在控制截面的頂、底板與腹板各布置3個測點，測試橋梁在試驗荷載作用下的應變情況。

2.2 變位實測結果分析

試驗荷載作用下，各控制截面的主要變位實測結果與計算值的比較見表2所示，表2中控制截面的實測變位為橋面兩側變位測點的平均值。

表2 各試驗工況下主要變位測試結果(單位:mm)

從表2中可得出，試驗橋跨的實測變位均小于理論計算值，說明結構實際剛度優于設計，剛度滿足要求，校驗系數在0.55～0.85之間，說明結構具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，最大為8.98%，遠小于20%的限值，表明結構處于彈性工作狀態，橋梁當前狀態下整體受力性能良好。

2.3 應變實測結果分析

試驗荷載作用下，各控制截面的主要應變實測結果與計算值的比較見表3所示，表3中控制截面的頂、底板實測應變值為相應位置處3個測點的平均值，應變受拉為正。

表3 各試驗工況下主要應變測試結果

從表3中可得出，控制截面的實測應變均小于理論計算值，說明結構實際強度優于設計，強度滿足要求，校驗系數在0.66～0.87之間，說明結構具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，最大為10.53%，遠小于20%的限值，表明結構處于彈性工作狀態，橋梁當前狀態下整體受力性能良好。

此外，在試驗工況3荷載作用下，對5#索塔13′#斜拉索(最大索力增量工況)進行了測試。經現場荷載試驗得出索力增量實測值為307kN，小于試驗荷載作用下的計算值394kN，校驗系數為0.78，表明斜拉索受力正常。

3 結構檢算

結合現場檢測結果，并依據《評定規程》確定各項折減系數[7-8]，具體見表4所示。

表4 橋梁各項折減系數

承載能力極限狀態下，橋梁結構的抗彎與抗剪承載能力驗算結果見圖2與圖3所示。

圖2 最大正彎矩抗力及彎矩對應內力圖(單位：kN·m)

圖3 最大剪力抗力及剪力對應內力圖(單位：kN)

從圖2與圖3可得出，承載能力極限狀態下，荷載效應彎矩值與剪力值均小于對應抗力限值，表明橋梁結構的抗彎與抗剪承載能力滿足要求。

正常使用極限狀態下，主梁正截面與斜截面抗裂驗算結果見表5所示。

從表5可得出，正常使用極限狀態下，主梁正截面與斜截面的應力值均小于結構抗力限值，表明橋梁結構的正截面與斜截面的抗裂驗算滿足要求。

表5 主梁正截面與斜截面抗裂驗算結果(單位：MPa)

斜拉索強度驗算見圖4所示。從圖4中可看出，斜拉索最大應力均小于拉索強度應力限值，表明拉索受力正常，滿足要求。

圖4 斜拉索強度驗算(單位：MPa)

此外還對設計活載作用下主梁的撓度進行了驗算。經計算，主梁最大撓度值為203.4mm，小于規范限值500mm，撓度驗算滿足要求。

4 結語

以運營期內協作體系矮塔斜拉橋為實例，首先通過荷載試驗測試出橋梁結構在當前狀態下的實際受力狀況及其工作性能，然后采用折減系數法對橋梁的承載能力進行了檢算，得出以下主要結論。

(1)試驗荷載作用下橋梁結構受力正常，試驗橋跨的實測變位和控制截面的實測應變與索力增量均小于理論計算值，結構實際剛度與強度優于設計，滿足規范要求且具有一定的安全儲備，卸載后殘余較小，結構處于彈性工作狀態，橋梁結構在當前狀態下整體受力性能良好。

(2)橋梁結構在承載能力極限狀態下的抗彎和抗剪承載能力均滿足要求；正常使用極限狀態下橋梁結構的抗裂和撓度均滿足要求；正常使用階段，斜拉索強度與主梁剛度滿足要求，即經各項系數折減后的運營期內的橋梁結構承載能力滿足設計與使用要求。