南 林， 白光亮， 陳春波， 李廣俊， 易炳疆

(招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司， 重慶 400067)

鋼桁梁斜拉橋因其剛度大、跨越能力強(qiáng)，在城市公軌兩用跨江方案中得到了廣泛的運(yùn)用與發(fā)展，在橋梁竣工前一般要進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)，評(píng)價(jià)橋梁整體受力性能是否滿足設(shè)計(jì)活載的正常使用要求。但鋼桁梁斜拉橋荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)復(fù)雜，計(jì)算量大，控制因素較多，布載繁瑣，為了使有限元模型與橋梁成橋狀態(tài)更加吻合，應(yīng)優(yōu)化加載布局，減少加載量，選擇合理加載時(shí)機(jī)，把不利因素降至最低[1]。本文以重慶東水門長(zhǎng)江大橋竣工荷載試驗(yàn)為依托，對(duì)此類大跨度鋼桁架梁公軌兩用斜拉橋的靜力試驗(yàn)進(jìn)行研究，將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算方法和計(jì)算模型的正確性，為同類型橋梁的設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)、施工積累可靠資料。

1 工程概況

重慶東水門長(zhǎng)江大橋主橋長(zhǎng)858 m，橋跨布置及結(jié)構(gòu)形式為(222.5+445+190.5)m三跨雙塔單索面公軌兩用半漂浮體系連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，如圖1(a)所示。主梁采用2片桁架的鋼桁梁，上層設(shè)置為雙向4車道+人行道的公路，下層設(shè)置雙線輕軌過(guò)江通道，如圖1(b)所示。鋼梁全長(zhǎng)858 m(兩端支座中心線)，桁寬15 m，主橋全寬24.5 m～39.2 m，渝中區(qū)側(cè)邊跨由于上層公路線形與下層軌道線形平面不平行，桁梁為變高度設(shè)置。主桁采用變高度的三角形桁式，除P1、P2橋塔處2個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度為14.5 m外，其余均為16 m。上層橋面采用正交異性鋼橋面板，有索區(qū)及橋塔根部處無(wú)索區(qū)橋面板厚24 mm，其余無(wú)索區(qū)橋面板厚16 mm，采用16×200 mm板肋加勁，板肋標(biāo)準(zhǔn)間距為350 mm。沿縱橋向設(shè)置橫隔梁，其間距為1.9 mm～2.75 mm。下層橋面采用正交異性鋼橋面板，橋面板厚16 mm、24 mm、32 mm，采用板肋加勁，縱橋向每4 m左右設(shè)置1道橫隔梁，橫橋向共設(shè)置2組輕軌縱梁，其中心間距為4.6 m，每組輕軌縱梁由2片縱梁組成，2片縱梁和橫梁直接連為一體，輕軌縱梁上設(shè)置整體式混凝土道床板和60 kg/m的鋼軌，作為城市輕軌交通走行軌道[2]。

橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車活載為公路-I級(jí)，軌道荷載標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B1車型，人群荷載在全橋總體計(jì)算時(shí)荷載集度采用2.875 kN/m2。公路車道荷載與軌道荷載組合時(shí)，公路活載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)定的全部活載的75%計(jì)算；鐵路活載以雙線活載的90%計(jì)算。

單位：m

2 試驗(yàn)內(nèi)容

橋梁靜力荷載試驗(yàn)主要是用于檢驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)最不利活載作用下主要承重構(gòu)件控制截面變位或應(yīng)力與設(shè)計(jì)期望值相符合的程度[3]。該橋的靜力試驗(yàn)主要針對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行[4]：

1) 應(yīng)力測(cè)試：在相應(yīng)試驗(yàn)工況下，測(cè)試控制截面應(yīng)力。

2) 變位測(cè)量：在相應(yīng)試驗(yàn)工況下，測(cè)試控制截面橋面處的豎向撓度，梁端縱橋向位移，索塔塔頂水平偏位。

3) 索力增量測(cè)試：在相應(yīng)試驗(yàn)工況下，對(duì)索力較大的斜拉索進(jìn)行索力增量測(cè)試。

針對(duì)重慶東水門長(zhǎng)江大橋試驗(yàn)橋跨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選取9個(gè)截面作為測(cè)試控制截面，各控制截面位置如圖2所示，測(cè)試內(nèi)容如表1所示。

單位：m

表1 試驗(yàn)控制截面與測(cè)試內(nèi)容

3 靜力試驗(yàn)方案

3.1 模型建立

按照荷載試驗(yàn)的要求，采用Midas Civil軟件對(duì)大橋進(jìn)行整體建模計(jì)算，大橋試驗(yàn)荷載由上層雙向4車道汽車活載(公路-Ⅰ級(jí))+上層人群荷載(2.875 kN/m2)+下層雙線軌道活載(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B1車型)組成，上層公路4車道橫向折減系數(shù)為0.67，縱向折減系數(shù)為0.96，沖擊系數(shù)取值為0.05；下層橋面軌道交通荷載按列車6輛編組，軸重140 kN，沖擊系數(shù)取值為0.057。重慶東水門長(zhǎng)江大橋整體分析有限元模型如圖3所示。整體分析有限元模型中，斜拉索采用桁架單元模擬，桁架的腹桿、上下弦桿及塔、墩等構(gòu)件均采用空間梁?jiǎn)卧M，其中上層橋面板與下層橋面板均采用板單元模擬[5]；主梁與拉索間的連接采用剛臂的方式實(shí)現(xiàn)，并對(duì)主塔段牛腿及橋面板單獨(dú)建立有限元模型進(jìn)行局部分析[6]。

圖3 主橋整體分析有限元模型

3.2 靜力加載方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[7-8]，本次靜力荷載試驗(yàn)荷載效率取值范圍為0.80<η≤1.05，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)11個(gè)加載工況，編號(hào)為G1～G12。加載用車為3軸和4軸渣土重車，單車重量控制在350 kN±10 kN，后(中)軸控制在140 kN，前(中)軸控制在70 kN，試驗(yàn)最大用車量為56臺(tái)，最少為24臺(tái)(除橋面局部加載)[9]，各工況加載效率均滿足規(guī)范要求。每個(gè)工況包括的控制截面及用車量如表2所示，表2中控制截面編號(hào)對(duì)應(yīng)表1。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

1) 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：K1～K8試驗(yàn)截面測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量如圖2和表3所示[10]。

表2 各工況加載效率及用車量

表3 試驗(yàn)控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量

2) 主梁變位測(cè)點(diǎn)：主梁豎向撓度主要測(cè)點(diǎn)與控制截面對(duì)應(yīng)，并以均分原則適當(dāng)加密，全橋縱向上共設(shè)14個(gè)撓度測(cè)試斷面，每個(gè)斷面布設(shè)上下游2個(gè)測(cè)點(diǎn)；主梁轉(zhuǎn)角測(cè)試斷面布置于南岸側(cè)(S)邊跨梁端，沿橫橋向中間布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用高精度傾角儀進(jìn)行角度測(cè)量。

3) 北主塔變位測(cè)點(diǎn)：索塔塔頂變位測(cè)點(diǎn)設(shè)置于塔頂縱橋向，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)[11]。

4) 拉索測(cè)點(diǎn)：對(duì)于最不利索力增量工況，在NB4、NB5、NB9、NZ4、NZ5、NZ9拉索布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量索力增量。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果

4.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

在加載工況G1～G12作用下各控制截面應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表4所示。實(shí)測(cè)應(yīng)變計(jì)算時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量取E=206 GPa，索塔混凝土的彈性模量取E=34.5 GPa。表4中彈性應(yīng)變值為滿載應(yīng)變值與殘余應(yīng)變值的差值，理論計(jì)算值為有限元模型計(jì)算值。

表4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

由表4可知，各工況下應(yīng)變最大值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)位于0.55～0.99之間，相對(duì)殘余均小于20%，表明試驗(yàn)橋跨的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

4.2 主梁撓度測(cè)試結(jié)果

主梁撓度主要控制截面為K3、K5、K6，由加載工況G5、G6、G9、G10、G11加載實(shí)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果如表5所示。表5中彈性變位值為滿載變位值與殘余變位值的差值，理論計(jì)算值為有限元模型計(jì)算值。

表5 主梁主要控制截面撓度觀測(cè)結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

由表5可知，各工況下控制截面撓度均小于理論值，校驗(yàn)系數(shù)介于0.82～0.99之間，相對(duì)殘余均小于20%，全橋撓度曲線符合結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)，橋梁實(shí)測(cè)撓度曲線形狀與計(jì)算撓度曲線吻合良好，如圖4所示。由圖4可知，撓度實(shí)測(cè)值均小于理論值，表明該橋剛度滿足設(shè)計(jì)要求[13]。

(a) 正載(b) 偏載

4.3 主塔偏位測(cè)試結(jié)果

在加載工況G11荷載作用下，北塔塔頂偏位觀測(cè)結(jié)果如表6所示。表6中彈性變位值為滿載變位值與殘余變位值的差值，理論計(jì)算值為有限元模型計(jì)算值。

表6 北塔頂K9截面偏位工況下縱向偏位觀測(cè)結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

在最大試驗(yàn)荷載作用下，北塔塔頂K9截面實(shí)測(cè)縱向偏位最大值為-84.2 mm，小于相應(yīng)計(jì)算值-87.1 mm，偏位測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.94～0.97，最大相對(duì)殘余變位為0.9%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 梁端轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果

在加載工況G3荷載作用下，南岸側(cè)邊跨梁端轉(zhuǎn)角觀測(cè)結(jié)果如表7所示。表7中彈性變位值為總變位值與殘余變位值的差值，理論計(jì)算值為有限元模型計(jì)算值。

由表7可知，在最大對(duì)稱試驗(yàn)荷載作用下，南岸側(cè)跨梁端K1截面實(shí)測(cè)負(fù)轉(zhuǎn)角最大值為-0.967×10-3rad，小于相應(yīng)計(jì)算值-1.100×10-3rad，轉(zhuǎn)角測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)為0.89，相對(duì)殘余變位為4.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 K1截面最大轉(zhuǎn)角工況下轉(zhuǎn)角觀測(cè)結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)(正載)

4.5 拉索索力增量測(cè)試結(jié)果

在加載工況G4、G5、G6、G9、G10、G11下對(duì)NB9、NB5、NB4、NZ4、NZ5、NZ9拉索進(jìn)行了索力增量的測(cè)試。在最大試驗(yàn)荷載作用下索力增量測(cè)試結(jié)果如表8所示。表8中彈性值為索力增量總量與殘余值的差值，理論計(jì)算值為有限元模型計(jì)算值。

表8 拉索最大索力增量工況下索力增量測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

由表8可知，典型工況索力增量實(shí)測(cè)最大值為1 352.6 kN，對(duì)應(yīng)理論值1 379.6 kN，索力增量測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.72～0.98，相對(duì)殘余均為0.0%，實(shí)測(cè)值均小于相應(yīng)理論計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求[14]。

5 結(jié)論

1) 重慶東水門長(zhǎng)江大橋靜載試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試值、主梁變位測(cè)試值、主塔偏位測(cè)試值、索力增量測(cè)試值均在合理范圍內(nèi)，且均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余均滿足規(guī)范要求。

2) 靜載試驗(yàn)結(jié)果及有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該橋整體受力性能滿足設(shè)計(jì)活載(上層公路-Ⅰ級(jí)汽車活載+上層人群荷載+下層國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B1車型雙線軌道活載)的正常使用要求。

3) 應(yīng)變和撓度實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值基本吻合，應(yīng)變和撓度的校驗(yàn)系數(shù)較接近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算模型的正確性。