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        基于靜動載試驗的大跨徑矮塔斜拉橋性能評價

        2021-10-28 05:33:32芳,金
        山西交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:靜力斜拉橋拉索

        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(非機動車道)+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(非機動車道)+2 m(人行道板)。設(shè)計荷載等級: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)仿真計算模型,見圖3。全橋結(jié)構(gòu)共離散為293個節(jié)點,292個單元。主塔、主梁采用梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬。該矮塔斜拉橋為塔梁固結(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指標(biāo)主要為主梁彎矩、撓度及斜拉索索力,經(jīng)計算分析,設(shè)計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。矮塔斜拉橋動力性能評價指標(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

        3.1 靜力試驗方案

        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,該橋為雙向六車道,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)影響線加載及試驗控制加載效率,確定各個靜力試驗工況縱向有效加載位置,見圖5;經(jīng)計算確定該次試驗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工況。

        表1 各控制指標(biāo)試驗效率

        3.2 靜力試驗結(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;撓度測點位于橋面,共4個撓度測點,應(yīng)變測點位于箱梁內(nèi)部,共14個應(yīng)變測點,見圖6。

        圖6 測點布置示意圖

        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、偏載靜力試驗工況下,理論撓度和實測撓度變化規(guī)律較為吻合,但實測值小于理論值,工況CS4理論最大撓度134 mm,實測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工況下,理論應(yīng)變和實測應(yīng)變變化規(guī)律較為吻合,但實測值小于理論值,工況CS1理論最大拉應(yīng)變100 με,實測65 με;工況CS5理論最大壓應(yīng)變32 με,實測27 με,實測小于理論偏安全。16號拉索理論最大索力增量337 kN,實測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 動力性能評價

        矮塔斜拉橋動力性能評價指標(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,在靜力分析的基礎(chǔ)上,建立動力分析模型,對結(jié)構(gòu)前九階理論振型進(jìn)行計算,根據(jù)理論振型分布特點進(jìn)行動力測點布設(shè),根據(jù)振型布設(shè)測點,測點應(yīng)布置在試驗跨振幅較大的位置,測點布置示意圖見圖11。為檢測該橋的動力特性,對主橋進(jìn)行跑車試驗。

        圖11 主橋動載測點布置圖

        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,且各階振動頻率實測均大于理論計算值,頻率比變化范圍1.04~1.78,結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度。通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01~0.08之間,實測阻尼比為0.013~0.062,表明橋梁剛度較好。

        表2 動力測試結(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)動力性能較好。

        圖12 實測三階模態(tài)

        圖13 實測六階模態(tài)

        5 結(jié)語

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

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