双塔斜拉与连续刚构组合桥荷载试验研究

张永强 ，尹 翔 ，彭 松

（1.湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430051；2.湖北省公路水运工程测试中心，湖北武汉 430051）

1 概况

湖北省某汉江公路大桥主桥为一座双塔斜拉与连续刚构组合桥，结构采用塔、墩、梁固结体系。主桥全长494 m，跨径布置为（128+238+128）m。主梁梁体采用三向预应力混凝土单箱三室截面，顶板宽26.5 m，底板宽15.0 m，两侧悬臂长5.75 m，根部梁高7.2 m，跨中梁高3.4 m。桥塔为独柱结构，高34m。斜拉索按扇形布置，梁上索距4 m，塔上索距1m，全桥共72根斜拉索。

主桥横向布置为0.75 m+10.75 m（机）+3.5 m（中央分隔带）+10.75 m（机）+0.75 m。该桥设计车速为80 km/h，设计荷载为公路-I级。

通车前对该桥进行了成桥静、动载试验，验证桥梁结构实际承载能力和工作性能是否满足设计及规范要求，测试桥梁结构的固有振动特性，以及在使用荷载作用下的动力性能[1-3]。

2 有限元模型

采用桥梁专用有限元程序MIDAS Civil 2006建立该桥有限元模型[4-6]（见图1）。主梁、主塔和主墩均采用三维梁单元进行模拟，斜拉索采用空间索单元进行模拟，按桥梁结构实际受力边界条件进行约束，全桥共划分426个节点，346个单元。

图1 有限元模型示意图

3 静载试验

3.1 静载试验工况

静力荷载试验的工况必须充分地进行优化，在满足试验要求的前提下，尽量减少加载工况的数量，提高试验效率[7]。经过等效计算，全桥共分为6个测试截面A～F（见图2），7个主工况，8个辅助工况（和主工况一起试验）。试验共需要300kN车辆16台，前轴重60kN，中、后轴各重120kN。试验工况及加载内容见表1所列。

3.2 试验方法及测点布置

（1）应力测试。主梁应力测试截面为A～D和主塔应力测试截面为E，应力以测试顺桥向为主，在各测试截面混凝土表面粘贴电阻式应变片，利用静态应变数据测试系统进行数据采集。测点布置见图2所示。

（2）挠度测试。主梁挠度测点分别布置在箱梁顶面两侧，每侧布置 9个测点 f1～f9、f1＇～f9＇，共18个测点（见图2）。挠度测试采用精度为0.1 mm的连通管，并用激光挠度仪进行测量复核。

（3）塔顶偏位测试。塔顶偏位测试截面为F截面f10测点（见图2），利用全站仪进行极坐标四测回观测塔顶测点。

（4）梁端转角测试。梁端转角测点为5#、8#墩顶处梁端截面f11、f12测点（见图2），采用电子倾角仪进行测量。

（5）索力增量测试。采用索力动测仪测试斜拉索振动频率，再换算成索力。索力编号如图2所示，选取斜拉索 NA5～NA8、SA5～SA8、NA16～NA18、SA16～SA18进行索力增量测试。

3.3 试验结果分析

（1）主梁应力和主塔应力分析（见表2）。由表2可知，主梁实测最大拉应力为1.56 MPa，最大压应力为-0.82 MPa；主塔实测最大拉应力为1.28MPa，最大压应力为-1.28 MPa；最大应力校验系数在0.66～0.95之间，最大残余变形为13.0%（由于篇幅有限，均未示出其残余值），结构校验系数合理，表明大桥在各个不利情况下受力性能正常。

图2 静载试验测试截面、测点布置图

表1 静载试验工况一览表

表2 实测最大应力值和计算值对比一览表

（2）主梁挠度分析。主要工况主梁挠度实测值如表3所列。工况3作用下中跨跨中截面实测挠度值52.2 mm，约为L/4 500，满足规范要求。各测点挠度校验系数在0.57～0.99之间，最大残余变形为12.8%，表明主梁处于弹性工作状态。偏载工况2、4、6作用下（文中未示出），主梁挠度实测值和中载比较接近，最大偏载系数1.07。

表3 主梁挠度实测值和计算值对比一览表

（3）塔顶偏位分析。工况7作用下，主塔最大纵向偏位实测值为15.6 mm，校验系数为0.86（见表4）。主塔纵向偏位校验系数在0.84～0.91之间，最大残余变形为15.4%，表明主塔处于弹性工作状态。

表4 主塔纵向偏位实测值和计算值对比一览表

（4）梁端转角分析。梁端转角实测值如表5所列，梁端转角校验系数在0.76～0.90之间，最大残余变形为11.8%，表明梁端约束正常。

（5）索力增量分析。最大索力增量出现于工况3（见表6），实测SA18最大索力增量219 kN，理论计算值为222kN，校验系数为0.99。其余各工况实测索力增量校验系数在0.91～0.99之间，索力变化较为均匀，在合理范围内。

4 动载试验

4.1 自振特性分析

采用环境激励法测试桥梁自振特性，具体通过在桥上布置高灵敏度的拾振器，长时间记录环境激励引起的结构振动，然后进行频谱分析，求出结构自振特性[8]。

表5 梁端转角实测值和计算值对比一览表

表6 工况3索力增量实测值和计算值对比一览表

实测1～4阶振型（见图3），实测自振特性（见表7）。主桥实测频率略大于理论计算频率且振型一致，说明理论计算比较准确和该桥动力性能良好。实测阻尼比在0.009%～0.518%之间。

图3 实测1～4阶振型图

表7 结构自振特性实测和计算对比一览表

4.2 冲击系数分析

根据实测跑车应变时程曲线，分析得出主桥实测冲击系数（见表8）。各跨实测冲击系数在1.011～1.032之间，均小于设计冲击系数1.050。

表8 主桥实测冲击系数1+μ一览表

5 结论

（1）静载试验各工况作用下，主梁和主塔应力、主梁挠度、塔顶偏位、梁端转角及索力增量值均小于理论计算值，各测点校验系数在0.59～0.99范围内，且残余在0～15.4%之间。说明结构在静载试验下处于弹性受力状态，主梁、主塔的强度和刚度满足设计要求。

（2）偏载工况作用下，主梁挠度实测值和中载比较接近，最大偏载系数1.07，低于偏载系数设计值1.15。

（3）主桥1阶实测频率0.420 Hz大于其理论值0.406 Hz，说明该桥整体刚度满足设计要求。

（4）跑车荷载作用下，各跨实测冲击系数在1.011～1.032之间，均小于设计冲击系数1.050。

（5）该斜拉桥在试验荷载作用下，主桥静、动力性能良好，承载力满足设计要求。

[1]交通部公路科学研究所.大跨度混凝土桥梁的试验方法[M].北京：人民交通出版社，1982．

[2]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京：人民交通出版社，2002．

[3]李森，石雪飞，苏祥压，等.大跨度独塔斜拉桥荷载试验与结构性能分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2012，（12）.

[4]刘永健，杨健，梁鹏，等.无背索斜拉桥荷载试验[J]．长安大学学报（自然科学版），2009，（9）．

[5]周世清，赵承新.宁波外滩大桥荷载试验研究 [J].世界桥梁，2011，（6）．

[6]张秋陵，肖光宏.奉节长江大桥成桥荷载试验研究[J].世界桥梁，2009，（1）．

[7]刘旭政，商岸帆，黄平明.斜拉桥荷载试验工况合并研究[J].中外公路，2011，（8）．

[8]冯东明，李爱群，李建慧，等.独塔斜拉与连续刚构组合桥梁动力特性及参数影响分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2010，（6）．