陳倫升，陳 波，張 磊，翟 磊，易炳疆(.中冶賽迪建筑市政設(shè)計有限公司，四川成都 6004； .招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400060)

三塔四跨矮塔斜拉橋荷載試驗與結(jié)構(gòu)總體評價

陳倫升1，陳 波1，張 磊1，翟 磊1，易炳疆2
(1.中冶賽迪建筑市政設(shè)計有限公司，四川成都 610041； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400060)

以拉薩市納金大橋為工程實例，介紹了此類橋梁荷載試驗的一般方法，建立了該橋的有限元模型，并將各工況下計算所得理論值與實測值進(jìn)行對比分析。荷載試驗結(jié)果表明，拉薩納金大橋動靜載性能良好，剛度和承載能力滿足設(shè)計要求。

矮塔斜拉橋；三塔四跨；荷載試驗

矮塔斜拉橋是介于斜拉橋和梁式橋之間的組合體系橋型，在100～300 m跨度上有較好的經(jīng)濟(jì)特性和美學(xué)效果[1]。

掌握橋梁的實際承載能力和運營狀況，最有效的手段是進(jìn)行荷載試驗[2]。本文以拉薩納金大橋為工程依托，通過靜動載試驗和有限元模型結(jié)果的對比分析，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和分析，驗證該橋剛度和承載能力能否滿足設(shè)計要求，分析過程和結(jié)果可為同類橋梁的設(shè)計、施工提供參考，為該類橋梁竣工驗收、運營和養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[3]。

1 工程概況

納金大橋位于拉薩市的東郊，溝通拉薩河兩岸，北接北繞城公路，南接318國道，是拉薩市區(qū)跨河通道和環(huán)城道路的重要紐帶。納金大橋為70 m+117 m+117 m+70 m三塔四跨單索面矮塔斜拉橋(圖1)。塔梁固結(jié)，墩塔分離，在墩頂設(shè)置支座。橫向布置為33.00 m=3.00 m(人行道)+11.75 m(行車道)+3.50 m(中央分隔帶)+11.75 m(行車道)+3.00 m(人行道)(圖2)。該橋荷載標(biāo)準(zhǔn)為：汽車活載為公路-I級，人群荷載3.0 kN/m2。

圖1 橋梁立面與靜載試驗控制截面布置示意(單位：m)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷面與靜載主梁應(yīng)變撓度測點布置示意(單位：m)

2 有限元模型

采用橋梁專用有限元軟件MIDAS/Civil對納金大橋進(jìn)行整體計算。有限元模型中，主梁、塔、墩和承臺采用188個空間梁單元模擬，斜拉索采用84個桁架單元模擬，主梁與拉索間采用彈性連接的剛性連接。該橋有限元模型如圖3所示。

圖3 整體分析有限元模型

3 靜載試驗

3.1 測點布置

針對該橋結(jié)構(gòu)特點，選取22個截面作為測試控制截面，其中K4、K5、K10、K11、K16、K17為塔肢截面，K20～K22為拉索截面，其余為主梁截面。控制截面位置見圖1，主梁撓度和應(yīng)變、橋塔撓度布置見圖2，橋臺應(yīng)變布置見圖4。

圖4 橋塔應(yīng)變測點布置示意

3.2 試驗工況

結(jié)合三塔四跨矮塔斜拉橋的受力和結(jié)構(gòu)特點，選擇主邊跨跨中、1/4跨截面、塔梁交界處截面、主邊塔塔底最大彎矩截面、主邊塔頂最大偏位截面以及主邊索最大索力截面以試驗截面確定靜載試驗測試工況。由于納金大橋結(jié)構(gòu)對稱和篇幅限制，僅列出部分工況(表1)。依據(jù)納金大橋的設(shè)計荷載等級，現(xiàn)場采用3軸重車(350 kN/輛)進(jìn)行等效加載，按內(nèi)力影響線布置車輛加載，每個工況分正載和偏載。受篇幅限制，本文不予給出具體布置圖示，試驗荷載效率(表1)滿足規(guī)范要求。表1中車輛“排”為橋橫向，“列”為橋縱向。

表1 靜載試驗工況和加載效率

3.3 靜載試驗結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng)變測試結(jié)果

圖5為邊主跨跨中K1和K7截面最大正彎矩工況(工況1、工況2)、邊主塔塔梁交界處K3、K9截面主梁最大負(fù)彎矩工況(工況2、工況5)、邊主塔K4和K10截面最大彎矩工況(工況3、工況6)。

圖5 5個典型工況下應(yīng)變實測值和理論值(單位：μs)

試驗過程中，梁塔控制界面的應(yīng)變絕對值均未超限，實測值均小于理論值，校驗系數(shù)為0.55～0.77，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求并具有一定的安全儲備。經(jīng)計算，相對殘余應(yīng)變最大為18.5 %，未超過結(jié)構(gòu)應(yīng)變的20 %，說明結(jié)構(gòu)處于較好的彈性工作狀態(tài)。

3.3.2 位移測試結(jié)果

主梁撓度測點布置如圖2所示，部分主梁控制截面的撓度實測值和理論值如圖6所示。最大試驗荷載作用下，各試驗控制截面撓度均未超限，實測值小于理論值，撓度校驗系數(shù)范圍為0.22～0.87，相對殘余變位最大值16.7 %，未超過結(jié)構(gòu)變位的20 %，滿足規(guī)范要求。圖6中撓度以向下為負(fù)。

圖6 北側(cè)主梁控制截面撓度實測和理論值(單位:mm)

針對塔頂縱向偏位工況(工況2、工況7)，各塔最大試驗荷載作用下塔頂偏位觀測結(jié)果列于表2(偏位以向納金路為負(fù)，向川藏公路為正)。可以看出，塔頂實測縱向偏位在最不利荷載作用下，最大值均小于理論值，偏位測點校驗系數(shù)為0.64～0.8，實測和理論值吻合度較高，卸載后的殘余變位均較小，相對殘余變位小于20 %(相對殘余為“/”表示殘余應(yīng)變與總應(yīng)變異號)。

表2 塔頂縱向偏位實測和理論值 mm

3.3.3 最大索力增量測試結(jié)果

索力增量測試取工況11，采用頻率法[4]加載測試。在試驗荷載作用下，最大索力增量測試結(jié)果見圖7?？梢钥闯?，實測索力最大增量均小于相應(yīng)理論計算值，校驗系數(shù)為0.4～0.87，卸載后的殘余值均很小，相對殘余值為0.0 %。

圖7 索力增量實測和理論值(單位:kN)

4 動載試驗

動載試驗主要通過環(huán)境脈動試驗和強(qiáng)迫振動試驗[6]來測定橋梁的自振特性以及在車輛動荷載作用下的動力響應(yīng)，從而獲得納金大橋的動力性能參數(shù)。

4.1 脈動試驗和基本動力特性

動載試驗主要測試橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性[7]。在橋位附近無規(guī)則振源以及橋面無任何交通荷載的情況下，采用隨機(jī)振動法測試橋梁結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、水流和地脈動等隨機(jī)荷載激振引起的微幅振動響應(yīng)，以分析箱梁的動力特性[2]。

通過將拾振器布置在結(jié)構(gòu)振動關(guān)鍵部位(圖8、圖9)激發(fā)結(jié)構(gòu)共振，記錄各部位的振幅與相位，對照各測點的振幅與相位即可繪制振型曲線。實測模態(tài)參數(shù)和理論值如表3所示。

圖示：D1～D10為加速度測試截面；J1～J7為動應(yīng)變測試截面圖8 動載試驗截面位置示意(主梁截面位置與靜載相同)

圖9 動力特性和響應(yīng)試驗截面測點布置示意

橋梁主橋結(jié)構(gòu)各階振動頻率實測值均分別大于其理論計算值，振型一致。礙于篇幅限制，僅列出前兩階振型，如圖10和圖11所示。

表3 結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果

圖10 第1階振型

圖11 第2階振型

4.2 強(qiáng)迫振動試驗和沖擊系數(shù)

通過無障礙行車和剎車試驗，測試主梁截面的動應(yīng)變和沖擊系數(shù)。依據(jù)本次試驗?zāi)康募艾F(xiàn)場情況，采用4輛三軸載重車(350 kN級)沿車行道中線以5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h勻速行駛通過全橋進(jìn)行動力響應(yīng)測試，每個時速分別采用對稱和單向兩種加載方式，并在30 km/h的速度下進(jìn)行行車制動加載。

選取邊主跨跨中和墩頂共7個截面進(jìn)行行車試驗(圖8)。由于篇幅限制，僅列出J5截面30 km/h勻速跑車和J7截面30 km/h剎車工況下的動力響應(yīng)曲線，如圖12、圖13所示。南北邊跨跨中截面沖擊系數(shù)分別為：0.004～0.030、0.019～0.23，南北中跨跨中截面沖擊系數(shù)分別均為：0.004～0.027，2#、1#墩墩頂沖擊系數(shù)分別為：0.004～0.038、0.007～0.039，實測最大沖擊系數(shù)為0.039。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規(guī)定，實測最大沖擊系數(shù)0.039小于相應(yīng)理論計算值0.05，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

(1)在靜載作用下，納金大橋各測試截面實測應(yīng)變值和

位移值均小于理論計算值，各測點應(yīng)變和位移校驗系數(shù)均滿足要求。表明納金大橋各結(jié)構(gòu)部位均在理論計算范圍內(nèi)工作，其強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計要求。所有測點相對殘余應(yīng)變和殘余位移均小于規(guī)范允許值20 %，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性狀態(tài)。

(2)在環(huán)境脈動試驗中，納金大橋?qū)崪y自振頻率均大于理論計算值，說明該橋整體動力剛度偏大，滿足設(shè)計要求。在多速度的強(qiáng)迫振動工況下，結(jié)構(gòu)實測沖擊系數(shù)均小于相應(yīng)設(shè)計規(guī)范計算值。

[1] 陳從春.矮塔斜拉橋設(shè)計理論核心問題研究[D].同濟(jì)大學(xué),2006.

[2] 易炳疆,胡建新.公軌兩用單索面鋼桁梁斜拉橋荷載試驗與承載能力評定[J].公路與汽運,2015(1):184-189.

[3] 宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定[M].人民交通出版社,2002.

[4] JTG/TJ21-2011 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[5] 方志,張智勇.斜拉橋的索力測試[J].中國公路學(xué)報,1997,10(1):51-58.

[6] 苑春艷.橋梁荷載試驗和模態(tài)分析[J].世界橋梁,2002(2):40-43.

[7] 朱保華.矮塔斜拉橋的動力特性及地震響應(yīng)分析[D].西南交通大學(xué),2008.

陳倫升(1983～)，男，本科，工程師，主要從事橋梁設(shè)計及相關(guān)研究工作。

U446.1

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[定稿日期]2016-05-09