基于靜動載試驗的大跨徑矮塔斜拉橋性能評價

韓 芳，金 健

（1.山西省公路局 長治分局，山西 長治 046000；2荊門市漳河新區住房和城鄉建設局，湖北 荊門 448000）

1 依托工程概況

依托工程橋梁為（120+210+120）m全預應力混凝土矮塔斜拉橋，全長450 m，主橋平面位于直線上，橋面橫坡為2%，縱坡為人字坡，坡度分別為2.45%和-2.45%。主橋橋面寬38 m，墩頂梁高6.8 m，跨中梁高3.3 m，梁底曲線采用1.8次拋物線。墩頂0號塊梁長20.0 m，懸澆梁段數及梁段長度從根部至跨中分別為：4×3.5 m、20×4.0 m，累計懸臂總長104 m；第13孔和邊跨合攏段長2.0 m，邊跨現澆段梁長13.9 m。主塔設置在橋面中分帶內，設計為矩形截面鋼筋混凝土結構，橫橋向寬2.5 m，順橋向寬6～4 m，塔身在橫橋向側面塔中刻深0.3 m、寬0.7～2 m的景觀槽口，塔柱四角設0.3×0.3 m倒角。主塔高32.9 m，其中塔頂高0.9 m為裝飾段，四側向中間斜切，形成尖角。斜拉索采用無黏結PE鍍鋅鋼絞線，單股鋼絞線直徑15.24 cm，標準強度fpk=1 860 MPa，單根斜拉索規格為55-ΦS15.2，采用拉索群錨錨固體系。斜拉索為雙索面，布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側無索區長度為70 m，第13孔無索區長度為20 m，邊跨無索區長24.9 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m，斜拉索在塔頂的錨固采用分絲管錨固結構。全橋共64根斜拉索。

主橋整幅橋面寬38 m，橫向布置為：2 m（人行道板）+2.5 m（非機動車道）+0.5 m（護欄）+12.5 m（行車道）+3 m（中央分隔帶）+12.5 m（行車道）+0.5 m（護欄）+2.5 m（非機動車道）+2 m（人行道板）。設計荷載等級：城市-A級。

橋型布置圖見圖1，橋梁標準斷面見圖2。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置圖（單位：cm）

2 有限元分析

根據橋型結構圖，采用midas civil結構分析軟件采用桿系單元[1]建立結構仿真計算模型，見圖3。全橋結構共離散為293個節點，292個單元。主塔、主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。該矮塔斜拉橋為塔梁固結體系，主塔與主梁采用剛性固結；梁端及塔柱處主梁梁底設支座，支座采用彈性連接模擬。

圖3 有限元模型

矮塔斜拉橋靜力性能評價指標主要為主梁彎矩、撓度及斜拉索索力，經計算分析，設計荷載作用下主梁最大正彎矩位于邊跨0.4L截面附近，為82 242 kN·m，最大負彎矩位于塔柱附近主梁，為-123 859 kN·m，最大撓度位于中跨跨中截面，為134 mm，斜拉索索力最大增量位于跨中16號斜拉索，為337 kN。矮塔斜拉橋動力性能評價指標主要為結構前九階頻率、振型、阻尼比。

3 靜力性能評價

3.1 靜力試驗方案

根據以上分析結果，對該矮塔斜拉橋擬定了6種靜力試驗工況：

a）CS1 第1孔0.4L截面正彎矩中載工況。

b）CS2 第1孔0.4L截面正彎矩偏載工況。

c）CS3 第2孔跨中截面正彎矩中載工況。

d）CS4 第2孔跨中截面正彎矩偏載工況。

e）CS5 1號墩附近截面負彎矩中載工況。

f）CS6 1號墩附近截面負彎矩偏載工況。

車輛橫向加載位置以車道數控制橫截面車輛數量，該橋為雙向六車道，因此橫向采用6輛車布置，如圖4所示。圖4為中載加載工況對應的橫斷面布置，偏載時按照偏向一側，距離人行道邊緣或中間分隔帶邊緣50 cm控制。根據影響線加載及試驗控制加載效率，確定各個靜力試驗工況縱向有效加載位置，見圖5；經計算確定該次試驗需要加載車最多的工況為24輛總重為320 kN的三軸重車。由圖5a，工況CS1和工況CS2車縱向間距為25 m，控制截面距離主塔中心線72 m，共需18輛車；由圖5b，工況CS3和工況CS4車縱向間距為25 m，控制截面距離主塔中心線105 m，共需18輛車；由圖5c，工況CS5和工況CS6一側車隊后軸距塔柱中心44 m，中跨側車縱向間距為23 m，控制截面距離主塔中心線65 m，共需24輛車。

圖4 車輛橫向布置-以中載為例（單位：cm）

圖5 車輛縱向布置（單位：cm）

表1為工況CS1～工況CS6，各試驗工況對應的控制指標加載效率。由表1可知，加載效率范圍為0.854～0.987，均大于0.85，可作為靜力性能評價工況。

表1 各控制指標試驗效率

3.2 靜力試驗結果

靜力測試指標主要包括邊跨0.4L及中跨跨中截面撓度和應變[2]、1號墩附近主梁截面應變、跨中16號拉索索力；撓度測點位于橋面，共4個撓度測點，應變測點位于箱梁內部，共14個應變測點，見圖6。

圖6 測點布置示意圖

圖7和圖8分別為工況CS3、CS4對應的撓度靜力測試結果。由圖可知，橋梁跨中中載、偏載靜力試驗工況下，理論撓度和實測撓度變化規律較為吻合，但實測值小于理論值，工況CS4理論最大撓度134 mm，實測116 mm，偏安全。

圖7 工況CS3撓度測試結果

圖8 工況CS4撓度測試結果

圖9和圖10分別為工況CS1、CS5對應的應變靜力測試結果。由圖可知，邊跨0.4L截面主梁、1號墩附近主梁中載靜力試驗工況下，理論應變和實測應變變化規律較為吻合，但實測值小于理論值，工況CS1理論最大拉應變100 με，實測65 με；工況CS5理論最大壓應變32 με，實測27 με，實測小于理論偏安全。16號拉索理論最大索力增量337 kN，實測255 kN，結構靜力性能較好。

圖9 工況CS1應變測試結果

圖10 工況CS5應變測試結果

4 動力性能評價

矮塔斜拉橋動力性能評價指標主要為結構前九階頻率、振型、阻尼比。該文根據依托工程結構特點，在靜力分析的基礎上，建立動力分析模型，對結構前九階理論振型進行計算，根據理論振型分布特點進行動力測點布設，根據振型布設測點，測點應布置在試驗跨振幅較大的位置，測點布置示意圖見圖11。為檢測該橋的動力特性，對主橋進行跑車試驗。

圖11 主橋動載測點布置圖

表2為模態測試結果。由表可知，該橋實測各階振型明顯，且各階振動頻率實測均大于理論計算值，頻率比變化范圍1.04～1.78，結構實際剛度大于計算剛度。通常橋梁結構的阻尼比在0.01～0.08之間，實測阻尼比為0.013～0.062，表明橋梁剛度較好。

表2 動力測試結果

圖12和圖13為典型模態測試圖，其中圖12為第三階模態，圖13為第六階模態。由圖可知，結構振型規律較好，且與理論振型吻合，結構動力性能較好。

圖12 實測三階模態

圖13 實測六階模態

5 結語

對依托工程（120+210+120）m大跨度矮塔斜拉橋靜動力性能進行評價，靜力試驗結果表明，靜力試驗加載效率范圍為0.854～0.987，均大于0.85，加載效果明顯；各控制截面變形規律與理論一致，撓度測點彈性最大值為116 mm，校驗系數在0.633～0.870范圍，主要應變測點實測最大值為94 με，校驗系數在0.600～0.885范圍，小于1故安全；理論最大索力增量337 kN，實測255 kN，結構靜力性能較好。動力測試結果表明，實測各階振型明顯，且各階振動頻率實測均大于理論計算值，頻率比變化范圍1.04～1.78，結構實際剛度大于計算剛度。通常橋梁結構的阻尼比在0.01～0.08之間，實測阻尼比為0.013～0.062，橋梁動力性能較好。該文靜動力評價方法，可為該橋型提供參考。