“V”型塔双索面斜拉桥荷载试验研究

高 伟

(安徽省公路工程检测中心;安徽省桥梁与隧道重点实验室，安徽 合肥 230051)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，斜拉桥由于其结构轻巧，适用性强，利用梁、索和塔三者组合变化做成不同体系，既满足一定大跨径桥梁的需求性，又满足工程建设的美观性，同时随着高强度斜拉索和正交异形板制造工艺等技术的成熟，使得其得到大量推广。

由于斜拉桥是高次超静定组合结构，设计变量多，施工控制要求严，技术难度高，拉索耐久性的挑战日趋明显，随着跨径增大，存在结构稳定的问题，所以需要对建成的桥梁结构进行荷载试验，评估桥梁承载能力及刚度是否满足设计要求。

1 项目概述

主桥采用(108+70)m“V”型塔双索面斜塔斜拉桥，桥梁整幅布置，标准宽度47 m，主梁采用钢-混混合梁，塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高约18.5 m，塔柱顺桥向为“V”型，横桥向为“∧”型，主跨及边跨均设置8对斜拉索。主墩采用承台接群桩基础，桩基采用钻孔灌注桩，设计荷载等级：城-A级。

2 荷载试验

2.1 有限元模型

利用桥梁专用有限元计算分析软件Midas/Civil 2017建立主桥混合梁塔梁固结体系斜拉桥模型，采用城-A级作为验证荷载，对其进行静动载试验的理论分析。钢-混混合梁和桥塔采用梁单元模拟，计629个，斜拉索采用桁架单元模拟，计48个。

图1 有限元计算模型

表1 主要材料结构参数

2.2 测试工况

根据《公路桥梁承载力检测评定规程》和《公路桥梁荷载试验规程》的规定，经过设计荷载和试验荷载作用下的最大正弯矩和最大负弯矩位置，建立内力测试截面(7个)，对应于测试截面确定静力加载试验工况(9个)(图2、表2)。

图2 主桥弯矩包络图(单位:kN·m)

表2 测试工况和静载试验效率系数

2.3 测试截面和测点布置

根据桥梁结构在设计荷载及试验荷载作用下的最大正弯矩和最大负弯矩的位置(图3)，确定测试截面进行应变和挠度测试(表3)。

图3 测试截面位置图(单位：cm)

表3 测试截面和内容

由于篇幅有限，仅选取A截面钢箱梁和B截面混凝土箱梁的应变测点布置图(图4、图5)。

图4 A截面钢箱梁应变测点位置图(单位：cm)

图5 B截面混凝土箱梁应变测点位置图(单位：cm)

2.4 结果分析

2.4.1 静载试验

经过计算分析，按城-A荷载标准，采用46 t的3轴卡车加载，为满足控制截面达到设计荷载的最大内力，本次试验需要16辆加载车。根据模型计算的最大内力截面影响线确定加载车辆位置，采用分级加载(图6)。

图6 试验加载车轴距及轴重(单位：cm)

由于篇幅有限，仅举例以下工况数据：

工况1：第11跨A断面钢箱梁最大正弯矩偏载和中载测试及副塔S3、S4索力增量测试。

工况9：11#墩副塔塔顶纵向变位测试。

图7 工况一A断面处弯矩影响线图

图8 工况一A断面处挠度影响线图

2.4.2 动载试验

采用有限元软件Midas/Civil 2017计算结构前三阶频率和振型如图9所示。

表4 第11跨最大正弯矩控制截面(工况1)偏载加载应变数据

表5 第11跨钢箱梁A断面偏载(工况1)挠度数据

表6 11#副塔塔顶最大纵向位移工况9加载位移数据

表7 主桥斜拉索索力增量(工况1)实测数据表

图9 前三阶竖弯理论自振振型图

根据实测各测点时域波形图的频谱分析结果，可得出前三阶实测频率与理论计算频率之比，详见表8。跳车激振试验时所采集的时程响应曲线如图10所示。

表8 实测自振频率与理论计算自振频率比较表

图10 跳车动应变响应

2.5 结构状态评估

(1)本次静力加载试验加载效率系数值为0.85～0.99，符合规范的要求范围(0.85～1.05)。

(2)在等效试验荷载作用下，主桥试验联各控制断面在试验荷载作用下，钢箱梁、混凝土箱梁和塔柱各控制截面应变校验系数分别为0.71～0.79,0.54～0.63和0.56～0.63；钢箱梁和混凝土箱梁挠度校验系数分别为0.82～0.86和0.79～0.82。

(3)在各工况下的分级加载和卸载过程中，控制截面均未发现结构性受力裂缝，应变、挠度在卸载结束后得到恢复，测点最大相对残余变形为20%。

(4)跑车激励试验在20～50 km/h的最大实测冲击系数为0.046，低于规范要求,该桥的抗冲击性能满足设计要求。采用环境随机振动法测的模态试验前3阶频率实测值和理论值对比(fmi/fdi)在1.03～1.17，实测频率值偏大，桥梁结构整体刚度满足设计要求。

(5)恒载作用下实测索力与理论成桥索力最大偏差为-6.06%。

3 结束语

通过具体工程实例的荷载试验研究，各测试截面应变和挠度校验系数均小于规范限值，测点最大相对残余变形≤20%，说明结构中各主要受力位置在试验荷载作用下承载能力较好，结构刚度满足设计要求，处于弹性工作状态。该桥满足城-A级荷载标准。后期运营过程中加强交通控制和定期检查维护，严禁超载、超速车辆通行，确保结构性能安全可靠。