基于现场试验与检算的协作体系矮塔斜拉桥承载能力研究

王 伟

(重庆中科建筑工程质量检测有限公司 重庆市 400080)

矮塔斜拉桥是近些年发展起来的新颖桥型，刚度比普通斜拉桥大，跨越能力又强于连续刚构桥，具有施工成熟便捷、桥跨布置灵活、经济性能良好等特点[1-2]。协作体系斜拉桥一般是将连续梁(刚构)桥与(矮塔)斜拉桥组合形成协作受力的结构体系，具有两者的优点，二者结合使得跨越能力更大、主梁受力改善明显等[3-4]。目前关于矮塔斜拉桥荷载试验的研究仅是针对矮塔斜拉桥本身而言，对于协作体系的矮塔斜拉桥的承载能力研究甚少。以运营期内协作体系矮塔斜拉桥为实例，首先通过荷载试验测试出桥梁结构在当前状态下的实际受力状况及其工作性能，然后采用折减系数法对桥梁的承载能力进行了检算。

1 工程概况

桥梁采用双塔双索面矮塔斜拉桥+连续刚构桥+连续梁桥组合形成的协作结构体系，跨径布置为(66+75+75+145+250+145)m。矮塔斜拉桥的支撑体系采用墩塔梁固结方式，连续梁与连续刚构的支撑体系为除0#、6#台及1#墩顶设置滑动支座外，其余部位均采用固结约束。主梁采用C60混凝土，采用单箱单室箱型断面，全桥共52对斜拉索，在梁上的标准间距为5.0m，塔上的标准间距为1.5m。桥面标准宽度为28.0m，横向布置为1.5m(拉索区)+12.0m(行车道)+1.0m(分隔带)+12.0m(行车道)+1.5m(拉索区)。设计荷载为公路-I级，按双向六车道设计。桥型布置见图1所示。

图1 桥型布置(单位：m)

2 荷载试验

2.1 截面选取

结合理论计算结果与《试验规程》的相关规定[5]，选取最不利受力截面作为荷载试验的控制截面，并以此作为试验加载的依据，具体见图1所示。为减小试验耗时与提高加载效率，以加载车最少的加载次数同时满足多个试验控制项目为目标进行载位布置[6]。各控制截面的试验项目与桥梁测试工况及所需加载车辆见表1所示，表1中采用总重300kN的三轴加载车。

从表1可得出，9个控制截面、5个试验工况下，各试验工况控制截面的荷载试验效率均在0.95～1.05范围内，满足《试验规程》要求[5]。

表1 桥梁试验加载工况与荷载试验

桥梁变位测点布置在每个控制截面距离两侧防撞护栏10cm的桥面上，测试桥梁在试验荷载作用下的变位情况；应变测点在控制截面的顶、底板与腹板各布置3个测点，测试桥梁在试验荷载作用下的应变情况。

2.2 变位实测结果分析

试验荷载作用下，各控制截面的主要变位实测结果与计算值的比较见表2所示，表2中控制截面的实测变位为桥面两侧变位测点的平均值。

表2 各试验工况下主要变位测试结果(单位:mm)

从表2中可得出，试验桥跨的实测变位均小于理论计算值，说明结构实际刚度优于设计，刚度满足要求，校验系数在0.55～0.85之间，说明结构具有一定的安全储备，卸载后残余较小，最大为8.98%，远小于20%的限值，表明结构处于弹性工作状态，桥梁当前状态下整体受力性能良好。

2.3 应变实测结果分析

试验荷载作用下，各控制截面的主要应变实测结果与计算值的比较见表3所示，表3中控制截面的顶、底板实测应变值为相应位置处3个测点的平均值，应变受拉为正。

表3 各试验工况下主要应变测试结果

从表3中可得出，控制截面的实测应变均小于理论计算值，说明结构实际强度优于设计，强度满足要求，校验系数在0.66～0.87之间，说明结构具有一定的安全储备，卸载后残余较小，最大为10.53%，远小于20%的限值，表明结构处于弹性工作状态，桥梁当前状态下整体受力性能良好。

此外，在试验工况3荷载作用下，对5#索塔13′#斜拉索(最大索力增量工况)进行了测试。经现场荷载试验得出索力增量实测值为307kN，小于试验荷载作用下的计算值394kN，校验系数为0.78，表明斜拉索受力正常。

3 结构检算

结合现场检测结果，并依据《评定规程》确定各项折减系数[7-8]，具体见表4所示。

表4 桥梁各项折减系数

承载能力极限状态下，桥梁结构的抗弯与抗剪承载能力验算结果见图2与图3所示。

图2 最大正弯矩抗力及弯矩对应内力图(单位：kN·m)

图3 最大剪力抗力及剪力对应内力图(单位：kN)

从图2与图3可得出，承载能力极限状态下，荷载效应弯矩值与剪力值均小于对应抗力限值，表明桥梁结构的抗弯与抗剪承载能力满足要求。

正常使用极限状态下，主梁正截面与斜截面抗裂验算结果见表5所示。

从表5可得出，正常使用极限状态下，主梁正截面与斜截面的应力值均小于结构抗力限值，表明桥梁结构的正截面与斜截面的抗裂验算满足要求。

表5 主梁正截面与斜截面抗裂验算结果(单位：MPa)

斜拉索强度验算见图4所示。从图4中可看出，斜拉索最大应力均小于拉索强度应力限值，表明拉索受力正常，满足要求。

图4 斜拉索强度验算(单位：MPa)

此外还对设计活载作用下主梁的挠度进行了验算。经计算，主梁最大挠度值为203.4mm，小于规范限值500mm，挠度验算满足要求。

4 结语

以运营期内协作体系矮塔斜拉桥为实例，首先通过荷载试验测试出桥梁结构在当前状态下的实际受力状况及其工作性能，然后采用折减系数法对桥梁的承载能力进行了检算，得出以下主要结论。

(1)试验荷载作用下桥梁结构受力正常，试验桥跨的实测变位和控制截面的实测应变与索力增量均小于理论计算值，结构实际刚度与强度优于设计，满足规范要求且具有一定的安全储备，卸载后残余较小，结构处于弹性工作状态，桥梁结构在当前状态下整体受力性能良好。

(2)桥梁结构在承载能力极限状态下的抗弯和抗剪承载能力均满足要求；正常使用极限状态下桥梁结构的抗裂和挠度均满足要求；正常使用阶段，斜拉索强度与主梁刚度满足要求，即经各项系数折减后的运营期内的桥梁结构承载能力满足设计与使用要求。