彭　蓉，向桂兵

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

?

某矮塔斜拉橋荷載試驗(yàn)研究

彭蓉，向桂兵

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

文章基于有限元分析理論，對(duì)某矮塔斜拉橋的靜力特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，測(cè)試了靜載工況下主塔塔頂偏位、主梁撓度、拉索索力增量、主塔及主梁控制截面應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明，主塔及主梁在設(shè)計(jì)荷載作用下，均處于彈性工作狀態(tài)，橋梁整體工作性能良好。

矮塔斜拉橋；荷載試驗(yàn)；剛度

0　引言

斜拉橋作為一種拉索體系，經(jīng)濟(jì)美觀的同時(shí)，比梁式橋的跨越能力更大，在市政橋梁中得到廣泛使用。為確保橋梁處于良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，在工程竣工驗(yàn)收前，需對(duì)梁的結(jié)構(gòu)性能及使用功能進(jìn)行評(píng)定，從而了解該橋結(jié)構(gòu)的受力情況和承載能力。橋梁的荷載試驗(yàn)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載力和評(píng)價(jià)橋梁運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的重要手段，通過驗(yàn)證橋梁的承載能力，了解各構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)，評(píng)價(jià)其工作性能，判斷橋梁是否滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，通過橋梁的荷載試驗(yàn)，可為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供依據(jù)。

1　橋梁概況

該橋位于八步區(qū)賀江一橋下游，跨越賀江，北岸接八步區(qū)靈峰南路。橋梁采用獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土展翅箱梁斜拉橋，跨徑組成為(86+68)m，全長(zhǎng)154 m。邊跨跨徑68 m，主跨跨徑86 m，邊、主跨比例為0.79。橋面以上塔高51 m。斜拉索在主梁上標(biāo)準(zhǔn)索距6.5 m，主塔上1.8 m。主梁采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土展翅箱梁結(jié)構(gòu)，C50混凝土，主梁頂板寬27.0 m，設(shè)1.5%橫坡。主塔為混凝土結(jié)構(gòu)，C50號(hào)混凝土，塔高自橋面以上49.4 m，從上到下共分五部分：塔尖區(qū)(似火炬狀，高3～11 m)、錨固區(qū)(塔柱為混凝土箱型截面，外輪廓尺寸7.5×3.5 m，高24.4 m)、中塔柱區(qū)(縱向相連的兩根扁形混凝土，單根扁形混凝土截面尺寸2.85×2.5 m，高14 m)、下塔柱區(qū)(四邊形空心截面，截面外輪廓尺寸為6.5×8 m)。主墩墩身采取單箱四室截面，四周設(shè)凹槽，墩四周設(shè)圓弧倒角，墩高994 cm。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

靜載試驗(yàn)工況所需的加載車數(shù)量及車輛加載位置，是由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按式(1)所定原則等效換算求得：

(1)

式中：η——靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù)；

Sstat——試驗(yàn)荷載作用下，檢測(cè)部位變位或力的計(jì)算值；

S——設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下，檢測(cè)部位變位或力的計(jì)算值(不計(jì)沖擊作用時(shí))；

μ——設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)。

2.1有限元計(jì)算

為確定試驗(yàn)橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的測(cè)試截面內(nèi)力、位移及試驗(yàn)車輛的配置等，必須掌握橋梁的影響線分布，為此，可以通過有限元方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工具采用Midas/Civil軟件進(jìn)行計(jì)算分析確定試驗(yàn)車輛的數(shù)量、噸位和布載位置。

(1)混凝土

C50混凝土抗壓彈性模量Ec=3.45×104MPa；容重γ=26kN/m3。

(2)橋面系

雙向4車道，折減系數(shù)0.67；人群荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算，引橋?yàn)?.0×8kN/m，主橋?yàn)?.82×8kN/m。

2.2測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置

通過有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)荷載作用于86m跨時(shí)，荷載產(chǎn)生的效應(yīng)明顯大于68m跨，故本次試驗(yàn)僅對(duì)跨徑較大的86m跨進(jìn)行分析。

2.2.1應(yīng)變測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置，加載控制截面布置共3個(gè)，最大正彎矩截面為A截面，最大負(fù)彎矩截面為C截面，主塔最大彎矩截面為E，具體位置如圖1所示。

圖1　應(yīng)變及位移截面位置圖(單位：cm)

(說明：圖中▍表示應(yīng)變控制截面；△表示位移控制截面；▽表示主塔偏位控制截面；紅線標(biāo)出索表示最大索力增量控制索)

主梁應(yīng)變測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，每個(gè)截面布置8個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，其中1#～4#為正彎矩測(cè)試點(diǎn)，5#～8#為負(fù)彎矩測(cè)試點(diǎn)。

圖2　應(yīng)變控制截面布置圖

主塔測(cè)試截面上的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，共布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖3　主塔測(cè)試截面H上的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：cm)

2.2.2位移測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置

(1)橋塔塔頂布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)主塔縱橋向偏位進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，試驗(yàn)前安裝好棱鏡，采用全站儀進(jìn)行測(cè)試。

(2)主梁共布置7個(gè)測(cè)試截面，對(duì)主梁豎向位移進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示，于每個(gè)測(cè)試截面兩側(cè)人行道路緣石邊緣各布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共14個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試。

圖4　主梁及橋塔位移控制截面布置圖(單位：cm)

(3)86 m跨最大索力增量測(cè)試?yán)鳛镸5和M5′斜拉索，對(duì)加載區(qū)間索力增量較大的斜拉索進(jìn)行索力增量測(cè)試。測(cè)量索力增量的斜拉索有M3～M7斜拉索以及M3′～M7′斜拉索，共10根斜拉索。

以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的公路-Ⅰ級(jí)，按4車道布載，雙向4車道，折減系數(shù)0.67，人群荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取用，根據(jù)彎矩值的大小確定試驗(yàn)工況，本橋主橋共安排3個(gè)試驗(yàn)工況，以檢驗(yàn)主梁、橋塔控制截面承受對(duì)稱或偏載時(shí)的承載能力，試驗(yàn)內(nèi)容、效率系數(shù)等如表1所示。

表1　靜載工況及效率系數(shù)一覽表

注：上表中彎矩單位為kN·m，索力單位為kN，位移單位為mm

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1主梁應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)，主梁最大正彎矩A截面控制工況正載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.508～0.822之間，正載應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為9.46%；控制工況偏載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.485～0.812之間，偏載應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為2.00%；跨主梁最大負(fù)彎矩C截面控制工況正載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.537～0.951之間，正載應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為15.79%；控制工況偏載應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.512～0.967之間，偏載應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為2.94%。具體結(jié)果如表2～3所示。

表2　工況1(正載)各控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果一覽表(με)

表3　工況2(偏載)各控制截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果一覽表(με)

3.2橋塔應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)，主塔最大彎矩H截面控制工況應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.784～0.961之間，相對(duì)殘余最大值為4.76%。具體結(jié)果如表4所示。

表4　工況1作用H截面應(yīng)變結(jié)果表(με)

3.3主梁位移試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)，86m跨主梁最大實(shí)測(cè)撓度為24.26mm(向下)，不大于允許最大撓度值172mm(L/500)；86 m跨主梁撓度正載校驗(yàn)系數(shù)在0.727～0.972之間，正載相對(duì)殘余在0.95%～13.93%之間；偏載撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.695～0.927之間，偏載相對(duì)殘余在1.43%～17.52%之間。具體結(jié)果如圖5～6所示。

圖5　工況1(正載)主梁撓度曲線圖

圖6　工況2(偏載)主梁撓度曲線圖

3.4主塔位移測(cè)量結(jié)果

橋塔頂縱向位移控制工況1(正載)作用下完江南岸移動(dòng)7.8 mm，縱橋向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.586，相對(duì)殘余為11.36%。

3.5索力增量結(jié)果

(1)索力增量校驗(yàn)系數(shù)：控制工況加載下，索力增量校驗(yàn)系數(shù)分別在0.853～0.916。具體結(jié)果如表5所示。

(2)索力安全系數(shù)：

最大索力增量實(shí)測(cè)值199.4 kN；

恒載索力為2 814.4 kN；

累計(jì)索力3 013.8 kN；

鋼絲面積A=0.005 269 7 m2；

抗拉強(qiáng)度σb=1 860 MPa，由

(2)

所以安全系數(shù)為3.23，>2.5，安全可靠。

表5　最大索力增量控制工況1(正載)、工況2(偏載)索力增量結(jié)果表(kN)

4　結(jié)語(yǔ)

(1)主梁及主塔最彎矩截面控制工況應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均<1.00，相對(duì)殘余均<20%，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況下處于彈性受力狀態(tài)。

(2)主梁撓度校驗(yàn)系數(shù)均<1.00，撓度相對(duì)殘余<20%，說明結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

(3)橋塔頂縱向位移控制工況縱橋向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.586，相對(duì)殘余為11.36%，說明橋塔受力性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)實(shí)測(cè)索力增量和理論計(jì)算值基本吻合，且有較高的安全儲(chǔ)備，說明索力增量滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，該矮塔斜拉橋強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，使用性能良好。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]曾特新.大跨徑料拉橋荷裁試驗(yàn)及靜動(dòng)力分析[J].湖南交通科技，2005(3)：95-97.

[3]劉旭政，商岸帆，黃平明.抖拉橋待載試驗(yàn)工況合并研究[J].中外公路，2011(4)：167-170.

Experimental Study on Load Test of An Extradosed Cable-stayed Bridge

PENG Rong，XIANG Gui-bing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Based on the theory of finite element analysis，this article analyzed the static characteristics of an extradossed cable-stayed bridge through the test，and tested the main-tower overhead deviation，main-beam deflection，cable force increment，main-tower and main-beam control section stress under static load conditions.The results showed that the main tower and main beam are in elastic working state under the design loads，with good overall working performance of bridge.

Extradosed cable-stayed bridge；Load test；Stiffness

2016-05-15

U448.27

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.012

1673-4874(2016)06-0043-04

彭蓉(1985—)，工程師，研究方向：橋梁檢測(cè)與加固設(shè)計(jì)；

向桂兵(1982—)，工程師，主要從事公路橋梁勘察設(shè)計(jì)工作。