白光亮，易炳疆，柯 鵬，樊祥君

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

高低塔斜拉橋結構新穎，國內(nèi)主要應用在公路斜拉橋中，近年在鐵路及軌道領域的運用逐漸增多，為滿足結構合理性與經(jīng)濟適用性，此種橋型主要為適應合適的水文、地質、地形(包括水底地形)條件下采用。

鋼桁梁斜拉橋在國內(nèi)應用廣泛，普遍出現(xiàn)在鐵路跨江通道及各類公軌兩用橋梁[1]上。近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展及核心城市空間的快速壓縮，同一橋位布置多種交通形式尤為重要，鋼桁梁斜拉橋存在剛度大、跨越能力強的優(yōu)勢，極好吻合這一需求，得到了廣泛的運用及發(fā)展。

高低塔雙層鋼桁梁斜拉橋[2]集合上述2種橋型特點[3]，主要運用在特殊地形條件下的鐵路或公軌兩用橋梁上，目前國內(nèi)此種橋型較為稀少，而涉及公軌兩用的高低塔雙層混建的鋼桁梁斜拉橋[4-5]，目前國內(nèi)幾乎沒有，重慶紅巖村嘉陵江大橋是最典型的該類型橋梁。此類橋型荷載試驗方案設計復雜，控制因素較多，布載繁瑣，為合理吻合橋梁成橋狀態(tài)，應優(yōu)化加載布局，減少加載量，選擇合理加載時機，把不利因素降至最低，其荷載試驗過程[6]結果對同類橋型具有重大的參考意義。

1 大橋結構及靜載試驗的特殊性

重慶紅巖村嘉陵江大橋全長732.8 m，為雙索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋[7]，主梁為雙層設計，上層為城市快速路(雙向6車道)，下層為軌道交通5號線(雙線6節(jié)編組地鐵-A級)+城市慢行交通系統(tǒng)(雙向4車道)，是重慶主城快速路網(wǎng)中“三縱線”的重要組成部分，該橋型是國內(nèi)少有的公軌雙層混建高低塔鋼桁梁斜拉橋。該橋主跨375 m，高低塔設計，為同類型橋梁跨度之最，全橋受力和變形與對稱橋梁區(qū)別較大。大橋布置如圖1所示。

由于下層軌道恒載為預留施工通道，暫未施工，為驗證大橋在汽車及人群荷載作用下的受力性能，此次荷載試驗為公路部分荷載驗證試驗，不包含軌道活載。目前國內(nèi)針對高低塔公軌兩用鋼桁梁斜拉橋的荷載試驗實例[8]較少，尤其對于部分交通荷載開放條件下的荷載試驗[9]，因此，本次試驗具有重要的工程指導性。

2 靜載試驗控制要素

鋼桁梁斜拉橋主要受力構件為主梁桁桿、拉索及主塔。加載分析時，主桁與拉索平行考慮，兼顧考慮索塔應力及各項撓度影響因素。針對紅巖村大橋高低塔及非對稱性特點，其測試項目重點關注主塔彎矩及縱向位移、拉索索力、主梁撓度及桁桿軸力[10]。

高低塔斜拉橋受力和變形具有不對稱性，根據(jù)結構特點及計算結果分析，橋塔及斜拉索剛度基本不會改變最大下?lián)宵c的位置，最大撓度截面出現(xiàn)在跨中附近，主梁跨中側控制截面主要取高塔一側梁段，主梁最大正彎截面出現(xiàn)在無索區(qū)中部，過程中重點關注2個主塔的縱向偏位，具體控制因素見表1，各控制截面位置如圖1(a)所示。

表1 紅巖村嘉陵江大橋試驗控制要素與測試項目Table 1 Test control elements and test iterms of Hongyancun Jialing River bridge

3 靜載試驗方案

3.1 模型建立

本橋為雙層公軌兩用橋，如圖1(b)所示，上層橋面為城市快速路，設計活載為城-A級，雙向6車道，下層橋面中部為雙向軌道交通，設計活載為6節(jié)編組地鐵-A級，軸重170 kN，兩側為7 m寬城市I級支路，設計活載為城-A級，考慮橫向折減系數(shù)0.5以及縱向折減系數(shù)0.97，上層橋面兩側設置的人群荷載為2.875 kN/m2。由于軌道部分建設滯后，根據(jù)要求，本次試驗控制荷載僅包含公路及人群荷載，即上層橋面雙向6車道的城-A級汽車活載+上層人群荷載+下層橋面雙向4車道的城-A級汽車活載[11-12]。

為模擬現(xiàn)階段試驗橋梁受力狀態(tài)，并進行靜載試驗布載，本次采用Midas/Civil軟件對大橋進行整體數(shù)值計算，然后將理論布載數(shù)據(jù)與試驗實測數(shù)據(jù)進行對比，主要提取數(shù)據(jù)包括主梁主跨控制截面撓度及應變、主塔應變及偏位、拉索索力增量、下層水袋布置后全橋線形及索力。大橋整體分析有限元模型如圖2所示。

圖2 紅巖村嘉陵江大橋整體分析有限元模型Fig.2 Finite element model of Hongyancun Jialing River Bridge

3.2 試驗方案

1) 成橋狀態(tài)模擬

荷載試驗目的是驗證成橋狀態(tài)下結構在汽車及人群荷載作用下的工作性能，下層橋面的軌道結構及其附屬部分(73.4 kN/m)未施工，因此荷載試驗前，通過下層橋面布置水袋的方式來模擬下層橋面未施工二期恒載，從而形成成橋狀態(tài)。

通過計算模擬，水袋沿全橋通長布置，尺寸取10 m×5 m×2.5 m，注水高度為1.47 m，詳細布置如圖3所示，水袋布置后大橋主梁線形與索力實測值與理論值對比數(shù)據(jù)見表2、表3。限于篇幅，僅提供索力較大的拉索，即高塔5對，低塔3對。拉索編號H表示高塔，L表示低塔，A表示岸側，J表示江側，從塔往跨側編號。

從表2、表3可知，水袋布置后，全橋最大撓度與理論計算值相差14.4 mm，出現(xiàn)在上游側，距小樁號伸縮縫327 m處，各主要索力實測值與理論值偏差均小于10%，兩者吻合較好。表2、表3數(shù)據(jù)表明，部分完工橋梁通過下層布置水袋模擬成橋狀態(tài)的方式合理可行，可供參考。

表2 水袋布置后全橋線形數(shù)據(jù)Table 2 Linear data after the completion of water bag arrangement

表3 水袋布置后P3、P4主塔索力測試結果Table 3 Test results of cable force of P3 &P4 tower after water bag arrangement

2) 加載效率與用車量

秉持滿足設計規(guī)范、用車量少、工況精簡的原則[13]，本次試驗共設計4個加載工況，工況編號為G1～G4。加載用車為三軸重車，單車重量為350±10 kN，后軸為140 kN，前軸為70 kN，試驗最大用車量為70臺，最少為30臺，為雙層布載，效率區(qū)間為0.85～1.02。每個工況囊括的控制截面及用車量見表4，表中控制截面編號對應表1。

單位：cm

表4 紅巖村嘉陵江大橋加載效率及用車量Table 4 Loading efficiency and truck number of Hongyancun Jialing River bridge

4 靜載試驗結果

4.1 主梁撓度測試結果

主梁撓度主要控制截面為K4、K5，由加載工況G3加載實現(xiàn)，為直觀體現(xiàn)加載工況下全橋撓度變化狀況，對主梁進行全橋撓度測量，并繪制撓度曲線，如圖4所示，G3工況作用下K4、K5的實測撓度值見表5。

圖4 主梁全橋撓度實測曲線Fig.4 Measured deflection curve of main girder

由表5可知，主橋撓度試驗工況下，K4、K5截面撓度最大值分別為-212.9 mm、-199.2 mm，校驗系數(shù)范圍為0.83～0.88，實測撓度曲線與理論值吻合良好，且均小于理論值，表明該橋剛度滿足設計要求。同時，該橋最大撓度實測值出現(xiàn)在跨中截面K4，全橋主梁撓度曲線走向均勻，變形趨勢未見向某橋塔側偏移，表明高低塔斜拉橋結構的不對稱性對全橋撓度控制截面位置影響較小。

表5 主梁主要控制截面撓度觀測結果及校驗系數(shù)Table 5 Measurement results and calibration coefficients of deflection of control section of main girder

4.2 主梁應變測試結果

大橋主梁彎矩控制截面為K2、K4、K5，分別由工況G2、G3加載實現(xiàn)，各測試數(shù)據(jù)見表6。

由表6可知，在最大試驗荷載作用下，K2截面桿件實測最大應變?yōu)?154 με，K4截面桿件實測最大應變?yōu)?115 με，K5截面桿件實測最大應變?yōu)?125 με，校驗系數(shù)范圍為0.80～0.98，與理論計算值吻合較好，表明試驗橋跨的強度滿足設計要求。同時K4截面(跨中截面)應變小于K5截面應變，表明主梁跨中受力控制截面有向矮塔側偏移趨勢，與理論數(shù)據(jù)吻合。

表6 主梁控制截面平均應變測試結果及校驗系數(shù)Table 6 Average strain test results and calibration coefficient of control section of main girder

4.3 主塔應變及變位測試結果

主塔應變及變位控制截面為K8～K11，由工況G3加載實現(xiàn)，各測試數(shù)據(jù)見表7、表8。

表7 主塔彎矩控制截面K8、K9平均應變測試結果及校驗系數(shù)Table 7 Average strain test results and calibration coefficient of bending moment control section of K8 &K9 of main tower

表8 塔頂位移控制截面K10、K11縱向偏位測試結果及校驗系數(shù)Table 8 Longitudinal deviation test results and calibration coefficients of displacement control sections of K10 &K11 at tower top

由表7可知，試驗荷載作用下，主塔彎矩控制截面實測最大應變分別為40 με，校驗系數(shù)介于0.63～0.89之間；由表8可知，索塔縱向偏位實測最大值為80 mm，校驗系數(shù)位于0.73～0.89之間，兩者均滿足設計要求。同時可看到，高塔縱向位移實測值是矮塔的2倍，高低塔應變實測值比較接近，表明在相近橫截面條件下，矮塔導致彎矩的縱向受力比高塔大。

4.4 拉索索力增量測試結果

1) 吊索索力增量測試

索力增量測試均在G3工況下實現(xiàn)，增量測試索號為HJ09、LJ07#拉索，截面編號依次為K12、K13，每根拉索由上下游2根索組成。索力測試方法為頻率法[14-15]，測試結果見表9。

表9 HJ09、LJ07#拉索索力增量測試結果及校驗系數(shù)Table 9 Cable force increment test results and calibration coefficient of HJ09 &LJ07 cable

由表9可知，G3工況下，HJ09、LJ07#拉索索力增量實測最大值分別為683.3 kN和736.4 kN，校驗范圍為0.71～0.76，滿足設計要求。由此可知，矮塔側索力大于高塔側，與前文分析的主塔受力趨勢一致。

5 結論

1) 水袋布置后，全橋最大撓度與理論計算值相差較小，各主要索力實測值與理論值偏差均小于10%，兩者吻合較好，表明部分完工橋梁通過下層布置水袋模擬成橋狀態(tài)的方式合理可行。

2) 靜載試驗表明，全橋控制截面各測試參數(shù)實測值均小于理論值，校驗系數(shù)范圍為0.63～0.98，表明其受力性能滿足設計活載(上層城-A級汽車活載+上層人群荷載+下層城-A級汽車活載)使用要求，其試驗方式及數(shù)據(jù)有重要參考意義。

3) 通過數(shù)據(jù)分析，高低塔斜拉橋應變控制截面位于無索區(qū)中部，撓度控制截面位于主跨跨中，矮塔縱向受力大于高塔，其試驗結果符合計算規(guī)律。