独塔双索面斜拉悬臂组合结构桥静、动载试验研究

2011-05-04李德慧刘红生王国安

铁道建筑 2011年6期

李德慧，刘红生，王国安

(1.江西交通科学研究院，南昌 330038;2.石家庄铁道大学，石家庄 050043)

1 工程概况

剑邑大桥为跨越赣江的一座特大桥梁，主桥为独塔双索面斜拉—悬臂组合结构桥(55+2×165+55=440)m。主塔为钢筋混凝土H型塔，主梁为预应力混凝土∏形与箱形组合形式梁，斜拉桥梁、塔、墩固结。梁上索距8 m，拉索基本平行，斜拉角度约29°，共设28对拉索。大桥设计行车速度60 km/h，设计荷载公路I级，人群荷载3.5 kN/m2。桥面有效宽度23.5 m(扣除栏杆)，即2×1.25 m(人行道)+2×2.5 m(非机动车道)+4×3.75 m(行车道)+1.0 m(中央双黄线)。斜拉桥桥面加宽至28.8 m，主塔附近局部最宽处30.5 m。桥梁设计洪水频率300年一遇，设计最大风速30 m/s。主桥立面示意如图1所示。

图1 主桥立面及实验断面布置示意(单位:m)

2 试验设计［1-2］

2.1 试验测试内容与方法

静力荷载试验测试内容主要有:应力控制截面试验荷载下应变、试验跨桥梁变形规律、主塔位移以及拉索荷载下索力变化，试验荷载在∏型主梁的横隔梁间分配规律等。

应变测量采用电阻应变片，由电阻应变测量系统测量，索力增量采用频率测定法测试，由材料特性确定的弹性模量推测斜拉索力增量。位移测量采用高精度全站仪进行极坐标多测回观测。在试验过程中用红外温度计对斜拉索、梁体、主塔进行点温度测量。

动力荷载试验研究内容主要有:测定桥梁的自振频率、阻尼特性，冲击系数等参数。

动力测试采用速度、加速度拾振器和信号采集处理系统采集数据，并实施FFT信号处理分析，进而得出需要的动力参数。

2.2 结构理论分析

结构理论分析采用平面杆系单元模型和空间分析模型。计算中考虑施工过程和实际桥梁的成桥内力状态。梁单元截面采用实际截面，索单元采用Enrst公式考虑其垂度效应，拉索在塔、梁锚固的偏心用刚臂单元考虑。梁、塔、墩固结部位，为了保证墩、塔、梁变形协调，防止固结部位较宽影响分析结果准确性，采用刚臂单元处理。

2.3 测点布置

根据理论分析结果，静载试验选择一侧165 m主跨及其相邻55 m边跨进行试验，在主跨应力变化最大截面、跨中截面、墩梁固结部位附近分别布置应变测点。主塔经分析，设计较为保守，不布置应变测点。

位移测点除选择试验跨的上游侧拉索锚点处布置位移测点，其他部位间隔10 m布置位移测点。主塔塔顶两肢分别布置一个位移观测点。为测试荷载在∏形主梁的横隔梁间分配规律，选取相邻的5根横隔梁跨中底缘布置单个应变测点。

在理论分析基础上，动载试验选择桥梁边跨1/2截面和主跨4分点布置横桥向和竖向拾振器，在塔顶和塔高2/3处布置横桥向和顺桥向拾振器。

主要试验测点布置如图2所示，试验内力控制截面位置如图1所示。

图2 测点布置示意

2.4 试验加载

为方便加载卸载，实验加载采用多辆载重汽车，单车质量30 t，按照荷载等效原则，通过影响线确定试验加载车位置和数量。进行如下加载试验:①设计活载下边跨最大正弯;② 2号主墩墩顶最大负弯;③主跨最大正弯;④主跨跨中最大挠度;⑤最短索受力最不利;⑥塔梁固结部位最大负弯;⑦塔顶最大水平位移;⑧重车在横梁间移动加载。

除试验⑧外，静力试验采用偏载和对称两种加载方式，以研究结构的偏载工作性能和对称工作性能。试验⑦与试验④合并进行。

试验⑧加载采用一排4辆试验重车，对称于桥面中线移动加载，考虑横隔梁间距为4 m，每次移动加载车2 m，试验车加载同步顺桥移动。确定对一根横梁产生影响的停车位置(试验车使第一根横梁底缘产生约5个微应变的位置)作为加载起始位置。

静力试验加载分级进行，分级数不少于3级，通过控制加载车数量进行加载分级。

动载试验加载。分别采用脉动试验和激振试验(不同车速跑车、越障跳车和急刹车)两种方式，研究结构的动力性能。

3 试验结果分析［3-5］

3.1 静载试验结果分析

表1为偏载加载最大试验荷载下试验结果与理论结果对比。可以看出，偏载加载情况下，根据实测应力计算试验桥边跨偏载系数在1.04～1.07之间，偏载效应不明显，表明实际结构边跨的箱形截面抗扭刚度较大，抗扭能力强。主跨∏形截面梁偏载系数实测1.18～1.14，明显大于边跨实测结果，表明主跨∏形截面抗扭能力逊于边跨箱形截面。

表1 偏载加载最大试验荷载下试验结果与理论结果对比

偏载及对称荷载作用下，边跨与次边跨加载的最大挠度和最不利应力均未超过理论值，且应力测试值的绝对量值并不大，卸载后挠度、应力残余极小。各试验下应力、挠度(位移)等校验系数均小于1.0，卸载弹性恢复非常好，说明主梁、主塔仍处于弹性状态工作，具有较好的整体刚度和强度。

实测拉索应力增量(表2)校验系数在0.75～0.98间，与理论预期较为吻合，表明拉索工作与设计预期一致。拉索工作正常。

实测桥梁竖向挠度(图3)线形平顺光滑，吻合度较高，说明理论计算模型与实桥状态非常接近。

表2 工况4实测部分拉索索力变化结果

图3 工况4主梁挠度纵向变化规律

从实测主跨主梁、主塔变形及拉索索力变化看，实测值与理论值的吻合度较高，说明本桥选用的独塔双索面斜拉—悬臂组合结构的主梁、主塔、拉索有较好的变形协调性。

本桥∏形主梁在汽车荷载作用下，横隔梁承受的汽车轮载主要在三根横梁间进行分配。最不利情况下，单根横梁大约承担试验荷载的0.42倍。

3.2 动载试验结果分析

表3及表4试验结果表明，随着重车车速增加，实测动位移有微弱的增大趋势，且随着车速提高，实测冲击系数微有增大。跑车冲击系数实测最大1.048，小于设计规范建议值1.05。刹车试验的实测冲击系数达到1.10以上，大于设计规范建议值。

表3 激振试验实测最大动位移值 mm

表4 实测冲击系数结果

跑车车速达到30 km/h以上，主跨内行车感觉有波动感，说明∏形主梁作为行车道系，横梁间距以及拉索间距对行车舒适有较大影响。

表5为各阶实测振动频率与理论计算频率比较，实测桥梁频率与理论结果相近，桥梁竖向侧向振动结果均在理论分析结果的1.1倍左右，实际桥梁的整体刚度好于理论值，结构有一定的刚度储备。实测结构阻尼较小，说明桥跨结构在环境荷载激励下是小阻尼振动，这和斜拉桥的结构形式一致。主梁一阶阵型为主梁竖向弯曲主塔顺桥向弯曲，说明结构主梁截面抗弯能力及主塔截面的顺桥向抗弯能力稍弱。

实测及理论分析桥梁的前3阶阵型，没有扭转阵型出现，表明该桥设计的独塔双索面斜拉—悬臂组合结构整体抗扭能力强于抗弯能力，这也是本桥实测未发现低阶频率出现扭转阵型的原因。