《武汉工程大学学报》 2015年11期
20-26
出版日期：2015-12-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
双塔双索面矮塔斜拉桥静载试验分析
０ 引 言矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥，具有“塔矮、梁刚、索集中”的结构特点，桥型美观，跨越能力大，近１０年来，在全世界范围内已有近百座矮塔斜拉桥建成，其中在我国境内的有５０余座［１－２］. 随着矮塔斜拉桥迅猛发展速度，大量学者对矮塔斜拉桥的荷载试验进行了深入的研究，姚惠发等［３］通过静动试验，研究了矮塔斜拉桥的桥梁变位、主梁与塔的应力状态、斜拉索索力、自振频率、冲击系数等静动特性. 罗霆［４］研究了静载作用下矮塔斜拉桥的桥梁挠度、应力状态、索力等特性. 方宏等［５］对矮塔斜拉桥荷载试验对桥梁结构状况进行了评定. 但是矮塔斜拉桥荷载试验在选择的桥型上主要集中在双塔单索面矮塔斜拉桥. 针对双塔双索面矮塔斜拉桥荷载试验研究较少. 为了丰富矮塔斜拉桥的荷载试验的技术资料，验证双塔双索面矮塔斜拉桥设计理念的科学性及理论计算的合理性，推动该类型矮塔斜拉桥设计、建造质量的技术进步. 本文针对宿州新汴河大桥主桥建立有限元模型进行静载试验的理论计算，确定测试项目及加载方案；将理论计算结果与试验结果进行比较分析. １ 工程概述该桥全长９２７ ｍ，桥跨布置为３×３０ ｍ＋３×３０ ｍ＋４×３０ ｍ＋８５ ｍ＋１４５ ｍ＋８５ ｍ＋４×２８ ｍ＋４×３０ ｍ＋３×３０ ｍ. 其中主桥桥跨布置为８５ ｍ＋１４５ ｍ＋８５ ｍ，桥型为三跨连续双塔双索面矮塔斜拉桥，主梁为单箱四室变截面预应力钢筋混凝土箱梁，主塔为竖直塔形式，矩形截面钢筋混凝土塔. 主桥结构形式为塔梁固结、梁墩分离体系. 主桥下部采用桩接承台墩柱形式，墩柱为门式框架墩. 主桥桥梁布置见图１所示.图１ 主桥布置图Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍａｉｎ ｂｒｉｄｇｅ２ 静载荷试验２．１ 工况设置利用桥梁有限元软件ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ建立主桥（８５ ｍ＋１４５ ｍ＋８５ ｍ）三跨连续双塔双索面矮塔斜拉桥模型，梁、塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元，见图２. 根据设计文件，采用公路－Ⅰ级作为验证荷载进行静载试验的理论计算，计算结果见图３～图５. 根据《公路桥梁承载力检测评定规程》和《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的规定，结合结构分析计算结果选择了３个最不利位置作为主要内力控制截面，见图６所示；静载试验工况，见表１.图２ 桥梁有限元模型Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ图３ 主梁弯矩包络图Ｆｉｇ．３ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ ｏｎ ｍａｉｎ ｂｅａｍ 图４ 主塔弯矩包络图Ｆｉｇ．４ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ ｏｎ ｍａｉｎ ｂｅａｍ ｍａｉｎ ｔｏｗｅｒ图５ 斜拉索索力包络图Ｆｉｇ．５ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｃａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｓｔａｙ ｃａｂｌｅｓ图６ 荷载试验工况布置图Ｆｉｇ．６ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｏａｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ表1 静载试验工况一览表Table 1 Schedule of static load test conditions２．２ 静载试验测点布置箱梁应变测点布置如图７所示. 桥面挠度测点布置见图８所示，综合矮塔斜拉桥的特点和受力特征索力增量测点布置如图９所示. 图７ 应变测点布置图Ｆｉｇ．７ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｓｔｓ图８ 挠度测点布置图Ｆｉｇ．８ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ图９ 索力测点布置图Ｆｉｇ．９ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｂｌｅ ｆｏｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ２．３ 车辆荷载横向布置该桥加载车辆横向布置考虑中载和偏载两种情况，如图１０～图１１所示，采用8辆加载车， 每辆加载车质量约４０ ｔ. 分三级加载，即累计荷载分别为５０％、８０％和１００％［６］. 图１０ 中载布置图Ｆｉｇ．１０ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｏａｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｃｋ图１１ 偏载布置图Ｆｉｇ．１１ Ｌａｙｏｕｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｌｏａｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｃｋ３ 静载试验结果分析３．１ 应力（应变）结果分析应变（应力）采用振弦式应变计（ＢＧＫ４０００型）和应变读数仪（ＢＧＫ－４０８型）进行测试，量测精度为±０．１ με. 各工况的应变（应力）实测值Se与理论值Sstat的比较如表２所示. 通过分析可得在等效试验荷载作用下，箱梁应变（应力）校验系数在０．２４～０．９３之间，桥塔底面应变（应力）校验系数在０．３１～０．５４之间，均不大于理论分析计算值，说明主梁、桥塔构件性能较好，有一定的安全储备；结构在设计荷载作用下是安全的. 校验系数偏小的原因可能是材料弹性模量高出设计值较多，桥梁结构整体工作性能好［７］. ３．２ 挠度结果分析挠度是桥梁受力性能的综合体现，反映桥梁的安全性和承载能力. 本次试验采用精密水准仪测量，测量精度０．０１ ｍｍ. 各工况的挠度实测值Re与理论值Rstat的比较如表３所示. 由表３可知，挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数分布在０．６１～０．６８之间. 挠度实测结果表明该桥的纵向刚度满足设计要求,也是矮塔斜拉桥较高刚度的体现. 表2 应力（应变）实测值与理论值对比Table 2 Comparison of measured and theoretical values of (strain) stress表3 挠度实测值与理论值对比Table 3 Comparison of measured and theoretical values of deflection３．３ 索力结果分析作为矮塔斜拉桥主要构件之一的斜拉索，索力的大小与分布直接反映矮塔斜拉桥持久状态下的内力状态，是评定其安全性和承载力能力的主要参数. 本次索力测试采用频谱分析法，检测结果见表４～表５. 从数据可以看出，索力的实测值与理论值变化趋势完全一致，活载作用下索力变化规律与设计基本相符，校验系数在０．２５～０．５８之间，满足设计要求. 索力实测结果表明在试验荷载作用下斜拉索分担的荷载小于理论计算值，主梁与拉索分担荷载的比例仍需进一步研究. 表4 工况1下部分索力实测值与理论值对比Table 4 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 1 表5 工况4下部分索力实测值与理论值对比Table 5 Comparison of measured and theoretical values of cable force under condition 4４ 结 语通过该桥的静载试验研究，静载试验桥梁的应力、挠度和索力实测值均小于理论计算结果，说明该桥在设计荷载作用下是安全的. 双塔双索面矮塔斜拉桥作为新型的桥梁结构具有良好的力学性能，其设计理论和方法有待进一步研究. 致 谢感谢桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室对本文给予的指导与帮助！