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(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(yù)應(yīng)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(shù)及梁段長度從根部至跨中分別為：4×3.5 m、20×4.0 m，累計(jì)懸臂總長104 m；第13孔和邊跨合攏段長2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段梁長13.9 m。主塔設(shè)置在橋面中分帶內(nèi)，設(shè)計(jì)為矩形截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫橋向?qū)?.5 m，順橋向?qū)?～4 m，塔身在橫橋向側(cè)面塔中刻深0.3 m、寬0.7～2 m的景觀槽口，塔柱四角設(shè)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(cè)向中間斜切，形成尖角。斜拉索采用無黏結(jié)PE鍍鋅鋼絞線，單股鋼絞線直徑15.24 cm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，單根斜拉索規(guī)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(cè)無索區(qū)長度為70 m，第13孔無索區(qū)長度為20 m，邊跨無索區(qū)長24.9 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m，斜拉索在塔頂?shù)腻^固采用分絲管錨固結(jié)構(gòu)。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(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（護(hù)欄）+12.5 m（行車道）+3 m（中央分隔帶）+12.5 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）+2.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2 m（人行道板）。設(shè)計(jì)荷載等級：城市-A級。

橋型布置圖見圖1，橋梁標(biāo)準(zhǔn)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(jù)橋型結(jié)構(gòu)圖，采用midas civil結(jié)構(gòu)分析軟件采用桿系單元[1]建立結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算模型，見圖3。全橋結(jié)構(gòu)共離散為293個(gè)節(jié)點(diǎn)，292個(gè)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?yàn)樗汗探Y(jié)體系，主塔與主梁采用剛性固結(jié)；梁端及塔柱處主梁梁底設(shè)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(jià)指標(biāo)主要為主梁彎矩、撓度及斜拉索索力，經(jīng)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)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(fù)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(dòng)力性能評價(jià)指標(biāo)主要為結(jié)構(gòu)前九階頻率、振型、阻尼比。

3 靜力性能評價(jià)

3.1 靜力試驗(yàn)方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，對該矮塔斜拉橋擬定了6種靜力試驗(yàn)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(fù)彎矩中載工況。

f）CS6 1號墩附近截面負(fù)彎矩偏載工況。

車輛橫向加載位置以車道數(shù)控制橫截面車輛數(shù)量，該橋?yàn)殡p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(yīng)的橫斷面布置，偏載時(shí)按照偏向一側(cè)，距離人行道邊緣或中間分隔帶邊緣50 cm控制。根據(jù)影響線加載及試驗(yàn)控制加載效率，確定各個(gè)靜力試驗(yàn)工況縱向有效加載位置，見圖5；經(jīng)計(jì)算確定該次試驗(yàn)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(cè)車隊(duì)后軸距塔柱中心44 m，中跨側(cè)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(yàn)工況對應(yīng)的控制指標(biāo)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(jià)工況。

表1 各控制指標(biāo)試驗(yàn)效率

3.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果

靜力測試指標(biāo)主要包括邊跨0.4L及中跨跨中截面撓度和應(yīng)變[2]、1號墩附近主梁截面應(yīng)變、跨中16號拉索索力；撓度測點(diǎn)位于橋面，共4個(gè)撓度測點(diǎn)，應(yīng)變測點(diǎn)位于箱梁內(nèi)部，共14個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，見圖6。

圖6 測點(diǎn)布置示意圖

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

圖7 工況CS3撓度測試結(jié)果

圖8 工況CS4撓度測試結(jié)果

圖9和圖10分別為工況CS1、CS5對應(yīng)的應(yīng)變靜力測試結(jié)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(yàn)工況下，理論應(yīng)變和實(shí)測應(yīng)變變化規(guī)律較為吻合，但實(shí)測值小于理論值，工況CS1理論最大拉應(yīng)變100 με，實(shí)測65 με；工況CS5理論最大壓應(yīng)變32 με，實(shí)測27 με，實(shí)測小于理論偏安全。16號拉索理論最大索力增量337 kN，實(shí)測255 kN，結(jié)構(gòu)靜力性能較好。

圖9 工況CS1應(yīng)變測試結(jié)果

圖10 工況CS5應(yīng)變測試結(jié)果

4 動(dòng)力性能評價(jià)

矮塔斜拉橋動(dòng)力性能評價(jià)指標(biāo)主要為結(jié)構(gòu)前九階頻率、振型、阻尼比。該文根據(jù)依托工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在靜力分析的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力分析模型，對結(jié)構(gòu)前九階理論振型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)理論振型分布特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力測點(diǎn)布設(shè)，根據(jù)振型布設(shè)測點(diǎn)，測點(diǎn)應(yīng)布置在試驗(yàn)跨振幅較大的位置，測點(diǎn)布置示意圖見圖11。為檢測該橋的動(dòng)力特性，對主橋進(jìn)行跑車試驗(yàn)。

圖11 主橋動(dòng)載測點(diǎn)布置圖

表2為模態(tài)測試結(jié)果。由表可知，該橋?qū)崪y各階振型明顯，且各階振動(dòng)頻率實(shí)測均大于理論計(jì)算值，頻率比變化范圍1.04～1.78，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度。通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08之間，實(shí)測阻尼比為0.013～0.062，表明橋梁剛度較好。

表2 動(dòng)力測試結(jié)果

圖12和圖13為典型模態(tài)測試圖，其中圖12為第三階模態(tài)，圖13為第六階模態(tài)。由圖可知，結(jié)構(gòu)振型規(guī)律較好，且與理論振型吻合，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能較好。

圖12 實(shí)測三階模態(tài)

圖13 實(shí)測六階模態(tài)

5 結(jié)語

對依托工程（120+210+120）m大跨度矮塔斜拉橋靜動(dòng)力性能進(jìn)行評價(jià)，靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，靜力試驗(yàn)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(guī)律與理論一致，撓度測點(diǎn)彈性最大值為116 mm，校驗(yàn)系數(shù)在0.633～0.870范圍，主要應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測最大值為94 με，校驗(yàn)系數(shù)在0.600～0.885范圍，小于1故安全；理論最大索力增量337 kN，實(shí)測255 kN，結(jié)構(gòu)靜力性能較好。動(dòng)力測試結(jié)果表明，實(shí)測各階振型明顯，且各階振動(dòng)頻率實(shí)測均大于理論計(jì)算值，頻率比變化范圍1.04～1.78，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度。通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08之間，實(shí)測阻尼比為0.013～0.062，橋梁動(dòng)力性能較好。該文靜動(dòng)力評價(jià)方法，可為該橋型提供參考。