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        大跨度雙塔斜拉橋承載能力評定實驗方法研究

        2013-08-05 09:54:08劉紅云
        黑龍江交通科技 2013年5期

        劉紅云

        (中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司)

        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,主橋為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋,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)計荷載為汽車-20 級,掛車-100,人群荷載為3.5 kN/m2。

        2 荷載實驗方案設(shè)計

        2.1 有限元計算模型

        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,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。墩塔進行固結(jié),拉索與主梁及索塔進行剛性連接。11#墩及14#墩上拉力擺以拉索單元的形式進行模擬,拉索截面以原設(shè)計截面為準。

        2.2 靜載實驗設(shè)計

        主橋為雙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)計荷載作用下的內(nèi)力計算結(jié)果,擬在主梁上設(shè)置4 個試驗斷面。

        (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。

        (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。

        (3)主跨主梁四分之一跨截面(C-C)加載試驗。

        (4)主跨主梁跨中最大正彎矩截面(D-D)加載試驗。

        2.3 動載實驗設(shè)計

        (1)脈動試驗: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: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)的動載響應和沖擊系數(shù)。

        (3)跳車試驗: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)在運行車輛荷載作用下的動載響應和沖擊系數(shù)。

        3 實驗實施及結(jié)果分析

        3.1 靜載實驗實施及結(jié)果分析

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

        式中:η 為靜力試驗荷載效率;Sstate為試驗荷載作用下某一檢驗項目最大計算效應值;S 為設(shè)計控制荷載作用下該檢驗項目的最不利計算效應值;μ 為規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

        根據(jù)橋梁的設(shè)計控制荷載計算各控制截面的彎矩,并依此進行試驗荷載設(shè)計。試驗加載的效率系數(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 主橋加載工況的計算彎矩、試驗彎矩及相應的荷載效率系數(shù)

        由于實驗截面為單箱三室箱型截面,除箱室頂、底板應力測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定可靠,截面高度中見間部位等應力測點因靠近截面中性軸,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)果進行分析。靜載實驗截面應力測試結(jié)果見表2 所示。

        表2 主橋各加載工況下應力實測值

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

        主橋試驗跨在各加載工況下實測撓度值與理論計算值的比較見表3 ~表6 所示。

        表3 主橋A-A 加載工況下?lián)隙葘崪y值與計算值比較

        表4 主橋B-B 加載工況下?lián)隙葘崪y值與計算值比較

        表5 主橋C-C 加載工況下?lián)隙葘崪y值與計算值比較

        表6 主橋D-D 加載工況下?lián)隙葘崪y值與計算值比較

        由表3 ~表6 可以看出,各加載工況下,主橋試驗跨撓度校驗系數(shù)介于0.50 ~1.00 之間,檢驗系數(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測值與計算值比較

        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)。試驗表明斜拉索工作狀況正常。

        3.2 動載實驗實施及結(jié)果分析

        自振測試采用脈動法(環(huán)境激勵)進行測試;動載試驗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現(xiàn)。

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

        表8 橋梁自振頻率實測值與計算值比較

        圖1 主橋?qū)崪y自振頻譜圖

        根據(jù)測試結(jié)果可知:實測值與計算值符合較好且略大于計算值,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

        試驗截面應力校驗系數(shù)均處于合理范圍,梁體具有較好的強度儲備。試驗跨撓度結(jié)構(gòu)校驗系數(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。橋梁自振頻率實測值與計算值符合較好且略大于計算值,表明橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的剛度。實驗截面的行車沖擊系數(shù)介于1.09 ~1.22 之間,處于正常范圍,橋梁在正常運營過程中可以預見將不會產(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,橋梁在正常運營過程中可以預見將不會產(chǎn)生異常大的跳車沖擊。

        荷載實驗對于測試大跨度斜拉橋?qū)嶋H承載能力及運營現(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用性,可以較為準確地評價橋梁的當橋服役狀況。

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

        [2]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

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

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