独塔双索面斜拉桥荷载试验研究

杨玉盟

(安徽省七星工程测试有限公司,安徽 合肥 230000)

1 概述

斜拉桥是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系[1-3]。具有减小梁体内弯矩,降低建筑高度,减轻结构重量,节省了材料,跨越能力大等优点,因此备受设计者的青睐。

为了全面了解桥梁结构在荷载作用下的实际工作、受力状态,最为直观的方式即为桥梁荷载试验检测[4-6]。本文通过对实桥进行试验,掌握桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状况,为同类型的桥梁荷载试验提供参考依据,并为同类型桥梁的设计提供真实的结构案例。

2 工程背景

桥梁位于黄山市市府所在地屯溪区屯光镇,横跨新安江南北两岸,主桥为(130+110)m预应力混凝土双索面塔墩梁固结独塔斜拉桥。桥面横向布置:2.5 m(人行道)+12.5 m(机动车道)+4 m(索塔区)+12.5 m(机动车道)+2.5 m(人行道)=34.0 m。荷载等级:城-A级。

主梁为预应力混凝土单箱五室截面,中轴线处梁高3.5 m,翼缘处梁高3 m,主梁顶面宽34 m,底面宽17 m;在非桥塔处,箱梁顶板厚0.25 m,锚索区箱梁顶板厚0.5 m,底板及斜腹板厚0.25 m,外直腹板厚0.4 m,内直腹板厚0.6 m;桥塔处箱梁顶板厚0.6 m,锚索区箱梁顶板厚0.8 m,底板及斜腹板厚0.6 m,外直腹板厚0.6 m,内直腹板厚0.8 m。

主塔为独柱式空心矩形截面混凝土桥塔,桥塔总高76 m;桥塔顺桥向宽度为7 m,横桥向厚度4 m,顺桥向拉索面壁厚1.2 m,横桥向壁厚0.75 m。斜拉索为钢绞线束,单侧19对,全桥共76根。

该桥立面布置图见图1。

3 有限元模型

本桥采用MIDAS CIVIL软件进行计算,根据结构特点,全桥共划分为356个节点,312个单元,主桥桥墩与主梁固结,模型如图2所示。

4 静载试验

4.1 主要控制截面、试验工况及加载效率

根据理论计算分析,确定桥梁静载试验控制截面,按内力等效原则进行加载,本次静载试验中各个试验工况的荷载效率满足规范中所规定的0.85≤η≤1.05的要求[7]。

试验加载采用三轴后八轮载重汽车(前轴与中后轴间距3.5 m,两后轴间距1.4 m,横向轴距1.8 m),其前轴控制在(60±5) kN以内,后轴控制在(120±5)kN以内,单车总重量控制在(300±10)kN以内[8]。主要控制截面如图3所示，试验工况见表1，加载效率见表2。

表1 试验工况

表2 加载效率

4.2 测点布置

1-1截面、4-4截面分别布置5个变形测点和7个应变测点,测点布置如图4所示。

2-2截面共布置7个应变测点,测点布置见图5。

3-3截面在距桥面1.2 m处顺桥向和横桥向分别布置1个应变测点,顺桥向编号为1号、横桥向编号为2号;5-5截面在塔顶布置1个位移测点,编号为1号;N9索力采用索力动测仪进行测试。

4.3 试验结果

4.3.1 变形测量结果

变形测量结果如表3～表5所示。

表3 工况1作用下变形结果

表4 工况2作用下变形结果

表5 工况5作用下变形结果

由表3～表5可知:1)各试验工况下,主梁主要控制截面测点变形校验系数在0.74～0.94范围内,均小于1。工况2作用下,主梁最大竖向变形为19.9 mm,远小于规范规定值L/500=260 mm[9],说明主要控制截面的刚度满足设计要求;2)各试验工况下,主梁主要控制截面测点相对残余变形在0%～6.36%范围内,均小于20%,说明桥梁结构在试验工况下处于弹性工作状态。

4.3.2 应变测量结果

应变测量结果如表6～表10所示。

表6 工况1作用下应变结果

表7 工况2作用下应变结果

表8 工况3作用下应变结果

表9 工况4作用下应变结果

表10 工况5作用下应变结果

由表6～表10可知:1)各试验工况下,主梁主要控制截面测点应变校验系数在0.62～0.86范围内,均小于1,说明主要控制截面的强度满足设计要求;2)各试验工况下,主梁主要控制截面测点相对残余变形在0%～9.68%范围内,均小于20%,说明桥梁结构在试验工况下处于弹性工作状态。

4.3.3 塔顶水平位移测量结果

塔顶水平位移测量结果见表11。

表11 工况7作用下塔顶水平位移结果

由表11可知:工况7作用下塔顶水平位移校验系数小于1,说明桥塔刚度满足规范要求。

4.3.4 索力测量结果

索力测量结果见表12。

表12 工况6作用下索力结果

由表12可知:工况7作用下N9索力增量校验系数小于1,满足规范要求,说明斜拉索工作性能良好。

5 动载试验

5.1 自振特性测试

通过脉动试验,记录结构测点竖向振动时域信号,通过傅里叶快速分析,获得频谱分析结果,得到桥跨结构的竖向自振频率,了解桥跨结构竖向自振特性。测试结果如图6～图8及表13所示。

表13 实测频率与理论频率的比较

由图6～图8,表13可知,实测振型与理论振型基本相符,前3阶实测频率均大于理论频率,阻尼比较小,说明桥梁结构各部件整体性能和技术状况较好。

5.2 动力响应测试

本次进行动力响应测试是通过载重汽车分别以不同速度进行跑车和刹车试验测试动力响应。通过动力响应信号测试分析系统实时采集在各种试验条件下测点的速度时程曲线,通过对时程曲线分析可得到各试验条件下的最大动应变值,推算实测冲击系数。测试结果如图9～图12及表14所示。

由图9～图12,表14可知,实测冲击系数的平均值小于理论值,说明该(130+110)m独塔双索面斜拉桥实际行车舒适度较好。

表14 实测冲击系数表

6 结论

通过对(130+110)m独塔双索面斜拉桥进行荷载试验计算与实测,得出以下结论:

1)静载试验工况下,主要控制截面测点的响应指标(校验系数、相对残余变形/应变、塔顶水平位移、索力增量)均小于规范限值要求,表明桥梁在试验荷载作用下弹性工作状态良好,主梁、主塔和拉索等受力合理。

2)试验桥跨实测振型与理论计算振型基本相符,实测频率大于理论频率,结构实际刚度大于理论刚度,说明桥梁结构各部件整体性能和技术状况较好。

3)实测冲击系数小于理论冲击系数,说明桥梁实际动力效应小于理论值,行车舒适度较好。

4)综上所述,该(130+110)m独塔双索面斜拉桥强度、刚度具有一定的安全储备,动力性能良好,承载能力和工作性能满足设计要求。