李強，孔祥勇，吳國帆

1．安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2．橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051

雙塔雙索面矮塔斜拉橋靜載試驗分析

李強1，2，孔祥勇1，2，吳國帆1，2

1．安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230051；2．橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051

針對宿州新汴河大橋主橋建立有限元模型進行靜載試驗的理論計算，根據(jù)計算結(jié)果確定荷載試驗的控制截面和試驗工況.通過現(xiàn)場靜載試驗，測試了最不利荷載下主梁與主塔的截面應(yīng)力、主梁撓度、斜拉索索力.將試驗值與理論計算值進行比較分析，應(yīng)力的校驗系數(shù)在0．24～0．93之間，撓度校驗系數(shù)在0．61～0．68之間，索力校驗系數(shù)在0．25～0．58之間，各項試驗指標(biāo)的試驗值均小于理論計算結(jié)果.結(jié)果表明：該橋在設(shè)計荷載作用下是安全的，具有良好的力學(xué)性能.

雙塔雙索面矮塔斜拉橋；靜載試驗；撓度；索力.

0 引言

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，具有“塔矮、梁剛、索集中”的結(jié)構(gòu)特點，橋型美觀，跨越能力大，近10年來，在全世界范圍內(nèi)已有近百座矮塔斜拉橋建成，其中在我國境內(nèi)的有50余座［1－2］.隨著矮塔斜拉橋迅猛發(fā)展速度，大量學(xué)者對矮塔斜拉橋的荷載試驗進行了深入的研究，姚惠發(fā)等［3］通過靜動試驗，研究了矮塔斜拉橋的橋梁變位、主梁與塔的應(yīng)力狀態(tài)、斜拉索索力、自振頻率、沖擊系數(shù)等靜動特性.羅霆［4］研究了靜載作用下矮塔斜拉橋的橋梁撓度、應(yīng)力狀態(tài)、索力等特性.方宏等［5］對矮塔斜拉橋荷載試驗對橋梁結(jié)構(gòu)狀況進行了評定.但是矮塔斜拉橋荷載試驗在選擇的橋型上主要集中在雙塔單索面矮塔斜拉橋.針對雙塔雙索面矮塔斜拉橋荷載試驗研究較少.

為了豐富矮塔斜拉橋的荷載試驗的技術(shù)資料，驗證雙塔雙索面矮塔斜拉橋設(shè)計理念的科學(xué)性及理論計算的合理性，推動該類型矮塔斜拉橋設(shè)計、建造質(zhì)量的技術(shù)進步.本文針對宿州新汴河大橋主橋建立有限元模型進行靜載試驗的理論計算，確定測試項目及加載方案；將理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較分析.

1 工程概述

該橋全長927 m，橋跨布置為3×30 m＋3×30 m＋4×30 m＋85 m＋145 m＋85 m＋4×28 m＋4×30 m＋3×30 m.其中主橋橋跨布置為85 m＋145 m＋85 m，橋型為三跨連續(xù)雙塔雙索面矮塔斜拉橋，主梁為單箱四室變截面預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，主塔為豎直塔形式，矩形截面鋼筋混凝土塔.主橋結(jié)構(gòu)形式為塔梁固結(jié)、梁墩分離體系.主橋下部采用樁接承臺墩柱形式，墩柱為門式框架墩.主橋橋梁布置見圖1所示.

圖1 主橋布置圖Fig.1 Layout diagram of main bridge

2 靜載荷試驗

2.1 工況設(shè)置

利用橋梁有限元軟件MIDAS／Civil建立主橋（85 m＋145 m＋85 m）三跨連續(xù)雙塔雙索面矮塔斜拉橋模型，梁、塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元，見圖2.根據(jù)設(shè)計文件，采用公路－Ⅰ級作為驗證荷載進行靜載試驗的理論計算，計算結(jié)果見圖3～圖5.根據(jù)《公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》的規(guī)定，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果選擇了3個最不利位置作為主要內(nèi)力控制截面，見圖6所示；靜載試驗工況，見表1.

圖2 橋梁有限元模型Fig.2 Finite element model of bridge

圖3 主梁彎矩包絡(luò)圖Fig.3 Envelope graph of bending moments on main beam

圖4 主塔彎矩包絡(luò)圖Fig.4 Envelope graph of bending moments on main beam main tower

圖5 斜拉索索力包絡(luò)圖Fig.5 Envelope graph of cable power on stay cables

圖6 荷載試驗工況布置圖Fig.6 Layout diagram of load experiment conditions

表1 靜載試驗工況一覽表Table 1 Schedule of static load test conditions

2.2 靜載試驗測點布置

箱梁應(yīng)變測點布置如圖7所示.橋面撓度測點布置見圖8所示，綜合矮塔斜拉橋的特點和受力特征索力增量測點布置如圖9所示.

圖7 應(yīng)變測點布置圖Fig.7 Layout diagram of strain tests

圖8 撓度測點布置圖Fig.8 Layout diagram of deflection test

圖9 索力測點布置圖Fig.9 Layout diagram of cable force measurement

2.3 車輛荷載橫向布置

該橋加載車輛橫向布置考慮中載和偏載兩種情況，如圖10～圖11所示，采用8輛加載車，每輛加載車質(zhì)量約40 t.分三級加載，即累計荷載分別為50%、80%和100%［6］.

圖10 中載布置圖Fig.1 0Layout diagram of load on the deck

圖11 偏載布置圖Fig.1 1Layout diagram of partial load on the deck

3 靜載試驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力（應(yīng)變）結(jié)果分析

應(yīng)變（應(yīng)力）采用振弦式應(yīng)變計（BGK4000型）和應(yīng)變讀數(shù)儀（BGK－408型）進行測試，量測精度為±0．1 με.各工況的應(yīng)變（應(yīng)力）實測值Se與理論值Sstat的比較如表2所示.通過分析可得在等效試驗荷載作用下，箱梁應(yīng)變（應(yīng)力）校驗系數(shù)在0．24～0．93之間，橋塔底面應(yīng)變（應(yīng)力）校驗系數(shù)在0．31～0．54之間，均不大于理論分析計算值，說明主梁、橋塔構(gòu)件性能較好，有一定的安全儲備；結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下是安全的.校驗系數(shù)偏小的原因可能是材料彈性模量高出設(shè)計值較多，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能好［7］.

3.2 撓度結(jié)果分析

撓度是橋梁受力性能的綜合體現(xiàn)，反映橋梁的安全性和承載能力.本次試驗采用精密水準(zhǔn)儀測量，測量精度0．01 mm.各工況的撓度實測值Re與理論值Rstat的比較如表3所示.由表3可知，撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)分布在0．61～0．68之間.撓度實測結(jié)果表明該橋的縱向剛度滿足設(shè)計要求,也是矮塔斜拉橋較高剛度的體現(xiàn).

表2 應(yīng)力（應(yīng)變）實測值與理論值對比Table 2 Comparison of measured and theoretical values of(strain)stress

表3 撓度實測值與理論值對比Table 3 Comparison of measured and theoretical values of deflection

3.3 索力結(jié)果分析

作為矮塔斜拉橋主要構(gòu)件之一的斜拉索，索力的大小與分布直接反映矮塔斜拉橋持久狀態(tài)下的內(nèi)力狀態(tài)，是評定其安全性和承載力能力的主要參數(shù).本次索力測試采用頻譜分析法，檢測結(jié)果見表4～表5.從數(shù)據(jù)可以看出，索力的實測值與理論值變化趨勢完全一致，活載作用下索力變化規(guī)律與設(shè)計基本相符，校驗系數(shù)在0．25～0．58之間，滿足設(shè)計要求.索力實測結(jié)果表明在試驗荷載作用下斜拉索分擔(dān)的荷載小于理論計算值，主梁與拉索分擔(dān)荷載的比例仍需進一步研究.

表4 工況1下部分索力實測值與理論值對比Table 4 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 1

表5 工況4下部分索力實測值與理論值對比Table 5 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 4

4 結(jié)語

通過該橋的靜載試驗研究，靜載試驗橋梁的應(yīng)力、撓度和索力實測值均小于理論計算結(jié)果，說明該橋在設(shè)計荷載作用下是安全的.雙塔雙索面矮塔斜拉橋作為新型的橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，其設(shè)計理論和方法有待進一步研究.

致謝

感謝橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室對本文給予的指導(dǎo)與幫助！

［1］施文杰．矮塔斜拉橋在國內(nèi)外的發(fā)展與實踐［J］．現(xiàn)代交通技術(shù)，2012，9（3）：22－25．

SHI Wen－jie．Developmentand practiceofextradosed bridge at home and abroad［J］．Modern Transportation Technology，2012，9（3）：22－25．（in Chinese）

［2］鄭漢．不同參數(shù)下雙塔雙索面矮塔斜拉橋靜動力特性研究［D］．揚州：揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，2010．

ZHENG Han．Static and dynamic characteristics research on low－pylon cable－stayed bridge with twintower twin－cable－plane［D］．Yangzhou：Yangzhou University Architectural Institute of Science and Engineering，2010．（in Chinese）

［3］姚惠發(fā)，王軍文，張運波．離石矮塔斜拉橋成橋靜動載試驗研究［J］．鐵道建筑，2007（4）：26－29．

YAO Hui－fa，WANG Jun－wen，ZHANG Yun－bo．Static and dynamic test research on lishi bridge with low－pylon cable－stayed［J］．Railway Engineering，2007（4）：26－29．（in Chinese）

［4］羅霆．矮塔斜拉橋靜荷載試驗分析［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（32）：8081－8083．

LUO Ting．Short tower cable－stayed bridge static load experiment analysis［J］．Science Technology and Engineering，2011，11（32）：8081－8083．（in Chinese）

［5］方宏，孔祥勇．雙塔單索面矮塔斜拉橋的荷載試驗應(yīng)用研究［J］．工程與建設(shè)，2013，27（4）：505－507．

FANG Hong，KONG Xiang－yong．Load experiment research on short tower cable－stayed bridge with twin towers single cable plane［J］．Engineering and Construction，2013，27（4）：505－507．（in Chinese）

［6］交通部公路科學(xué)研究所．大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［M］．北京：人民交通出版社，1982．

Ministry of Transportation Highway Research Institute．Test method for large span concrete bridge［M］．Beijing：China Communications Press Co．，Ltd．1982．（in Chinese）

［7］宋金強，朱宏平，黃民水．基于靜動載試驗的大型橋梁健康評估［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報，2010，32（3）：57－60．

SONG Jin－qiang，ZHU Hong－ping，HUANG Minshui．Study on health assessment of large－scale bridge based on static and dynamic testing［J］．Journal of Wuhan Institute of Technology，2010，32（3）：57－60．（in Chinese）

Experiment analysis of static load of extradosed cable－stayed bridge with twin－tower twin－cable－plane

LI Qiang1，2，KONG Xiang－yong1，2，WU Guo－fan1，2
1．Anhui Test Center of Highway Engineering，Heifei 230051，China；2．Anhui Province Key Laboratory for Bridge and Tunnel Engineering Detection，Heifei 230051，China

The finite element model of the main bridge of Xinbian－h(huán)e river bridge in Suzhou was built for theoretical calculation of static load experiment，based on which the test conditions and control sections were determined．The section stress of the main beam and the main tower，the deflection of the main beam and the cable force increment were tested under the most disadvantage load in the static load experiment．The coefficients of stress calibration，deflection calibration and cable force calibration are 0．24－0．93，0．61－0．68 and 0．25－0．58 respectively，which are less than the theoretical calculation values．The results show that this bridge is safe with good rigidity and strength under the designed load．

extradossed bridge with twin towers and double cable planes；static load experiment strain；deflection；cable force

U446

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.11.005

1674－2869（2015）11－0020－07

本文編輯：龔曉寧

2015－08－21

李強（1981－），男，安徽蕭縣人，工程師，碩士.研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與評估技術(shù).