鄂尔多斯市乌兰木伦河4#大桥成桥静动载试验研究

2014-05-04马宏亮曾广武蔡超勋

铁道建筑 2014年4期

马宏亮，曾广武，蔡超勋

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

鄂尔多斯市乌兰木伦河4#大桥主桥为双斜塔斜拉桥，跨径布置为(40+42+42+51)m边跨+450 m主跨+(51+42+42+40)m边跨，主桥全长800 m。主梁采用钢与混凝土混合结构，主跨大部分(432 m)采用钢箱梁结构，主跨其余部分及边跨采用预应力混凝土箱梁结构，钢箱梁与预应力混凝土箱梁之间设置钢混结合段过渡。主梁全宽37 m(包括两侧各1 m宽的风嘴)，梁顶宽35 m，梁底宽22.6 m，梁高3 m。

主塔为A字形钢塔，向主跨侧倾斜12°，主梁在塔下穿过，主塔与主梁相交位置设置辅助墩及支座。10#主塔高132 m、11#主塔高128 m，伸入承台上的塔靴并与之固结，主塔顺桥向尺寸沿塔身从顶部5 m渐变至底部约10 m，横桥向尺寸为3.3 m。

斜拉索采用空间扇形双索面体系布置，全桥共有斜拉索68对，采用直径7 mm的低松弛高强平行镀锌钢丝成品索，外层防护采用热挤双层高密度PE防护套。斜拉索塔上锚固于钢塔中箱室，梁上锚固区位于机动车道与非机动车人行混行道之间。

桥梁设计荷载标准为公路—Ⅰ级汽车荷载［1］，双向6车道，横向折减系数0.55，纵向折减系数0.96，冲击系数0.05。人群荷载标准值为2.5 kN/m2，荷载系数1.15。桥梁抗震设防烈度为7度，抗震设防措施等级为8级。

对该桥进行成桥静动载试验，目的在于通过荷载试验了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的运营质量;检验桥梁结构的设计与施工质量，为工程竣工验收提供重要依据，为今后安全运营提供必要的技术参数［2-3］。

1 理论分析

4#大桥主桥的理论分析计算采用有限元方法，试验前利用大型有限元软件ANSYS建立了该桥的空间有限元分析模型，对其静动力学性能进行了较全面的仿真计算［4］。

在该桥的有限元建模中，挠度、应力与索力的计算采用空间杆、板及块体单元，其中主梁、主塔钢结构部分全部采用板单元，主梁、主塔及基础混凝土部分全部采用块单元，斜拉索采用杆单元。全桥共161 701个单元，166 826个节点。

2 试验概况

2.1 测试内容

静载试验测试的主要内容包括:主梁和主塔控制截面应力、主梁控制截面挠度、主塔塔顶纵向位移、斜拉索索力测试。图1为静载试验测试截面位置示意图，1～6截面为主梁应力测试截面，7截面为主塔应力测试截面;A～D截面为主梁挠度测试截面，E截面为主塔塔顶纵向位移测试截面。截面内应力测点布置见图2、图3和图4。

动载试验测试的主要内容包括:脉动测试和行车激振测试。脉动测试主要测试桥梁结构的自振频率和振型。行车激振测试通过跑车试验和跳车试验测试桥梁结构的振动响应和动应力。

2.2 加载工况

通过挠度和应力影响线加载计算，根据控制内力或变位等效原则，按照静力试验荷载效率的要求(0.95≤η≤1.05)［5］确定本次静力试验荷载。依据对设计荷载效应的计算结果，本次静载试验荷载采用30辆重约360 kN的载重汽车进行加载，分4个工况:工况1，主跨跨中最大正弯矩加载，加载效率1.01;工况2，10#塔支点最大负弯矩加载，加载效率0.95;工况3，10#塔塔身最大受力加载，加载效率0.97;工况4，南51 m边跨跨中正弯矩加载，加载效率0.96。

图1 静载试验测试截面位置

图2 1，2截面应力测点布置

图3 3～6截面应力测点布置

图4 7截面应力测点布置

本次动载试验荷载采用1辆重约360 kN的载重汽车，在桥面无任何障碍的情况下，以10，20，30，40，50，60 km/h的速度在上游行车道驶过各测试截面位置。

3 静载试验结果与分析

针对不同加载工况计算出各测试点的挠度(位移)、应力和索力，并与实测的各项结果进行对比分析(限于篇幅，本文仅以满载工况为例)。表1为满载工况下对应截面挠度(位移)测试结果，表2、表3为满载工况下主梁、主塔对应截面应力测试结果，表4为满载工况下对应截面索力测试结果。

表1 满载工况下对应截面挠度(位移)测试结果

表2 满载工况下主梁对应截面应力测试结果 MPa

表3 满载工况下主塔对应截面应力测试结果 MPa

表4 满载工况下对应截面索力测试结果 kN

3.1 挠度(位移)分析

从表1可以看出，主跨跨中最大正弯矩加载工况下，主梁挠度实测值小于计算值，结构校验系数为0.888～0.983。10#塔塔身最大受力加载工况下，主梁挠度实测值小于计算值，结构校验系数为0.888～0.936;塔顶纵向位移实测值小于计算值，结构校验系数为0.735～0.754。结构校验系数均满足规范规定的≤1的限值要求［5］，说明主跨和主塔的整体刚度都符合设计和试验要求。

南51 m边跨跨中正弯矩加载工况下，边跨跨中挠度实测值接近计算值，结构校验系数为1.067～1.097，略＞1，考虑到测量值较小，测量精度会对结果产生一定影响，经与设计单位交流分析后确认能满足公路—Ⅰ级荷载的承载力要求。

主跨跨中最大正弯矩加载工况下，主梁挠度最大相对残余变形为8.9%;10#塔塔身最大受力加载工况下，主梁挠度最大相对残余变形为9.5%，塔顶纵向位移最大相对残余变形为5.5%;南51 m边跨跨中正弯矩加载工况下，边跨跨中挠度最大相对残余变形为9.4%，均满足规范规定的不超过20%的限值要求［5］，说明桥梁结构处于弹性工作状态。

主跨跨中实测最大挠度为389.9 mm，实测挠跨比为L/1 154，满足规范规定的≤L/400的限值要求［5］;南51 m边跨跨中实测最大挠度为3.4 mm，实测挠跨比为L/15 000，满足规范规定的≤L/500的限值要求［6］，说明结构的静力刚度较大，整体工作状态良好。

由主跨跨中实测挠度与加载效率的关系曲线(图5)可以看出，实测挠度与加载效率呈良好的线性关系;由塔顶实测纵向位移与加载效率的关系曲线(图6)可以看出，实测纵向位移与加载效率呈良好的线性关系，说明主梁和主塔均都于弹性工作阶段，工作性能良好。

图5 主跨跨中实测挠度与加载效率的关系

图6 塔顶实测纵向位移与加载效率的关系

3.2 应力分析

从表2可以看出，主跨跨中最大正弯矩加载工况下，主跨中主梁顶、底板测点的应力实测值均低于计算值，顶板的应力校验系数为0.977，底板的应力校验系数为0.799，均满足规范规定的≤1的限值要求。

10#塔支点最大负弯矩加载工况下，钢混段混凝土截面主梁顶板测点的应力实测值接近计算值，顶板的应力校验系数为1.032，略＞1，考虑到施工结束时主梁顶板的预应力值有较大富余，经与设计单位交流分析后确认能满足公路—Ⅰ级荷载的承载力要求;主梁底板测点的应力实测值低于计算值，底板的应力校验系数为0.915，满足规范规定的≤1的限值要求。钢混段钢箱梁截面主梁顶、底板测点的应力实测值均低于计算值，顶板的应力校验系数为0.581，底板的应力校验系数为0.892，均满足规范规定的≤1的限值要求。

南51 m边跨跨中正弯矩加载工况下，边跨跨中主梁顶、底板测点的应力实测值均低于计算值，顶板的应力校验系数为0.886，底板的应力校验系数为0.862，均满足规范规定的≤1的限值要求。

从表3可以看出，10#塔塔身最大受力加载工况下，10#塔塔底钢构件测点的应力实测值均低于计算值，上游塔支截面的应力校验系数为0.631，下游塔支截面的应力校验系数为0.648，均满足规范规定的≤1的限值要求。

截面实测应力与计算应力随加载效率呈良好的线性关系，实测应力回零状况良好，说明主梁和主塔都处于弹性工作阶段，整体工作性能良好，强度满足设计要求。

3.3 索力分析

从表4可以看出，主跨跨中最大正弯矩加载工况下，对应截面斜拉索的安全系数为3.5～3.9;10#塔支点最大负弯矩加载工况下，对应截面斜拉索的安全系数为3.2～3.5;10#塔塔身最大受力加载工况下，对应截面斜拉索的安全系数为3.5～4.3，均满足规范规定≥2.5 的限值要求［6］。

斜拉索的恒载索力远高于试验荷载本身所产生的索力增量。主跨跨中最大正弯矩加载工况下，对应截面斜拉索的索力增量校验系数为1.041～1.100;10#塔支点最大负弯矩加载工况下，对应截面斜拉索的索力增量校验系数为0.921～0.952;10#塔塔身最大受力加载工况下，对应截面斜拉索的索力增量校验系数为0.976～1.023。索力增量校验系数均处于合理范围内，索力增量实测值与计算值相符较好，说明斜拉索受力合理，符合设计要求。

4 动载试验结果与分析

桥跨结构第一阶振型为主梁竖向一阶振动，实测频率为0.410 Hz，计算频率为0.392 Hz;第二阶振型为主梁横向一阶振动，实测频率为0.586 Hz，计算频率为0.517 Hz。竖向自振频率与横向自振频率的实测值均略高于计算值，说明结构的实际动刚度不小于理论动刚度，与理论期望值一致。

跑车试验和跳车试验主跨跨中截面振动响应和动应力测试结果见表5。从表中可以看出，跑车试验时50 km/h及以下车速对桥跨结构的影响没有明显差异，其冲击系数约为1.05;而以60 km/h车速行驶时，振动响应和冲击系数明显增大，其冲击系数接近1.10。跳车(5 km/h)试验时，振动响应和冲击系数放大效应更明显，冲击系数达到1.22，但仍满足＜1.30的规范限值要求［1］。跳车试验时的冲击系数明显高于跑车试验，说明桥面铺装不平整或局部缺陷会给结构的工作状况产生较严重的不利影响，应随时注意对桥面铺装的维护工作。