某斜拉桥荷载试验方案设计及加载反常响应分析

刘俊强，高　飞

(重庆市交通委员会工程质量安全监督局， 重庆　400060)

某斜拉桥荷载试验方案设计及加载反常响应分析

刘俊强，高飞

(重庆市交通委员会工程质量安全监督局， 重庆400060)

摘要：对某斜拉桥荷载试验进行方案设计，阐述有限元模型的建立及其计算要点。对现场加载过程中结构出现的反常响应进行具体分析，并根据实际响应对有限元模型进行调整和反复试算。

关键词：斜拉桥；荷载试验；反常响应

1工程概况

某斜拉桥为7跨连续半飘浮体系，其跨径组合为64 m+2×68 m+608 m+2×68 m+64 m。边跨设置2个辅助墩和1个过渡墩(台)。

主梁为PK断面的混合梁，中跨采用钢箱梁，边跨采用混凝土箱梁；钢箱梁与混凝土箱梁交界在中跨的两主塔附近。在钢-混凝土结合段的箱梁端部设置多格室结构，格室内填充混凝土，钢格室腹板上设置PBL剪力键。钢箱梁边纵腹板采用抗层状撕裂钢Z15。箱梁混凝土强度等级为C55。

索塔为塔柱、横梁组成的钢筋混凝土结构，其中32#索塔高196.7 m，33#索塔高206.4 m。2索塔下塔柱高度不同，上、中塔柱高度和构造均相同。塔柱断面为矩形空心截面(倒圆角)，塔底断面尺寸10.0 m(顺桥向)×8.4 m(横桥向)，底部7 m范围设置实心段，其上设置高13 m，横向厚1 m的隔板。

在索塔下横梁、辅助墩、过渡墩(桥台)处设竖向支座，均为双向球形钢支座；索塔、过渡墩处设横向抗风支座。成桥运营阶段，纵向限位±420 mm。主梁与索塔横梁处顺桥向采用2组阻尼装置。

斜拉索采用平行钢丝，索面按扇形布置，每一扇面由19对斜拉索组成，全桥共设76对斜拉索。中跨标准索距15.5 m，边跨索距分别为10和8 m。

主桥立面和主梁横截面分别如图1、图2所示。

2测试断面与加载试验项目确定

2.1测试断面确定

根据该桥的受力特点，主要考虑进行主塔偏位、主梁挠度、主梁纵飘位移、索力最大增量等常规试验测试[1-2]。同时，还针对钢箱梁和混凝土梁结合处的截面进行应变测试[3-4]，以考查此处的变形协调情况。桥梁测试断面布置如图3所示。

2.2各工况试验车辆布置及计算值

通过有限元模型提取各截面内力(位移)影响线，并在其上布置荷载，检查荷载效率能否达到规范要求[5]。绘制设计活载的内力包络图，并在有限元模型上进行加载计算，检验各断面上的内力是否超过内力包络范围。如果超过内力包络范围，则需调整加载车辆的布置[6]。另外，应变传感器布置在应力变化较大的截面和测点上。

注：1.为墩台编号;2.单位：cm。

图2　主梁横断面大样

注：1.A～H表示加载控制点;2.单位：cm。

3动力荷载试验

3.1主桥动力特性检测

动力特性检测包括固有频率、阻尼比、振型、中跨振幅(动应变)、冲击效应等。

3.2脉动试验

在桥面无交通荷载及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动和水流等随机荷载激励而引起的桥跨结构微幅振动响应[2]，包括固有频率、阻尼比、振型等。

3.3无障碍行车试验

在桥面无任何障碍的情况下，用4辆(每幅2辆)载重汽车分以30、40、50和60 km/h的速度对称匀速驶过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应。

4有限元模型建立

4.1成桥状态索力测试

[2]维晨佐·阿兰乔·路易兹：《罗马法中的委任》，拿波里：Jovene出版社，1965年，第17页及以下；朱塞佩·普罗维拉：《委任(历史)》，载《法学百科全书》1965年(第25卷)，第313页；雷默·马尔蒂尼：《罗马法中的委任》，载《私法学说汇纂(民法)》1994年第11卷，第198页及以下；柯珀拉·比萨扎：《从 iussum domini到contemplatio domini：代理史研究》，米兰：Giuffrè出版社，2008年，第206页及以下。

考虑到荷载试验仅考虑活载工况，而受力结构又是在恒载状态下受活载影响，所以须进行恒载状态下的索力测试。

4.2采用有限元程序建立空间模型[7]

有限元模型建立时，斜拉索用桁架单元模拟，且须结合恒载状态索力大小和设计索力来修正索的垂度效应。等效弹性模量用Ernst公式计算。

为了模拟车辆的偏载效应，根据索的位置对主梁建立2根纵向梁单元，其刚度等效于桥面板和双箱梁共同作用下的纵向刚度。横向连接则通过梁单元与2根纵梁正交连接，其刚度等效于桥面板横向和横系梁刚度共同作用。梁体模拟成鱼骨型梁单元模型。

有限元模型共有152个桁架单元、625个梁单元，共计728个节点。用梁单元模拟主塔；用弹性支撑来模拟辅助墩上的橡胶支座；用竖向单向支撑杆单元来模拟主墩上的四氟滑板支座。有限元模型如图4所示。

图4　计算模型

4.3有限元模型检验

5现场试验及反常响应分析

试验过程中，大部分工况能与有限元模型计算一致，应变、索力和主梁位移均在合理范围内，校验系数也能满足规范要求。

但是，在主塔最大偏位工况下，发现荷载试验加载过程中2个主塔变形(32#塔<33#塔)与有限元模型计算结果(32#塔>33#塔)差异较大。也就是说，理论计算32#塔的位移最大，但实际加载过程中，测得32#塔的位移比33#塔的要小；而理论计算33#塔的位移比32#塔的位移大，但实际加载过程中，测得33#塔的位移比32#塔的要小。

经反复比较和查验，发现所有加载工况的主梁纵向位移都很小。分析原因：只有主塔支座和辅助墩产生了纵向抵抗力，才能使主梁位移变小；边跨主梁为混凝土结构，重量较大，主塔支座虽然为四氟滑板支座(低摩擦系数μ≤0.03)，但因其受的正压力较大，故仍产生了较大摩阻力，同时辅助墩对主梁也有较大的纵向力约束。为此，进行了有限元模型试算。计算结果表明，辅助墩处的模拟支座上产生的纵向支座反力较大。

由于强迫位移的计算方法仅能估算纵向反力的大小，导致斜拉体系和主梁的受力计算结果将偏离实际，因此，笔者改用外荷载的方式来模拟支座摩阻力和辅助墩的抵抗力。而采用外荷载方式模拟支座摩阻力和辅助墩抵抗力时，维持边界约束条件不变，即取消辅助墩处的纵向强迫位移，并重新代入有限元模型进行试算。计算结果表明，2个主塔的变形趋势与实际相符，且主梁和斜拉索的受力均在合理范围内。

因计算模型的荷载条件发生了变化，故须对有限元模型进行修正，并重新计算试验加载的各种工况。重新计算各种工况后，发现所有工况的应变和挠度的校验系数都在合理范围内。由此可知，修正计算模型后，有限元模型的仿真分析符合桥梁的实际受力情况[8]。

6试验结果处理

根据测试结果和理论计算值，对各个测试截面测点的残余应变、应变校验系数、残余变形、挠度校验系数、索力增量测试结果等逐一进行分析[4]，并整理形成试验检测报告。

7结束语

大型斜拉桥属于多次超静定结构，荷载试验过程比较复杂，故对结构计算须进行反复验证，防止出现与设计图纸或实际加载响应不一致的现象。当出现非常规的受力响应时，应仔细分析原因，防止试验报告中遗漏重要的影响因素而得出错误的结论。

参 考 文 献

[1]重庆交通科研设计院.JTG/T D65—2007公路斜拉桥设计细则[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2]中交公路规划设计院.JTG/T D60-01—2004公路桥梁抗风设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F 50—2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]徐国平，张喜刚.混合梁斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]交通运输部公路局.JTG B01—2014公路工程技术标准[S].北京：人民交通出版社，2014.

[6]中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]北京迈达斯技术有限公司.Midas分析与设计原理手册[M].北京：人民交通出版社，2012.

[8]中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Design of Load Test Plan and Analysis of Abnormal Loading Response of Some Cable-stayed Bridge

LIU Junqiang, GAO Fei

Abstract:This paper designs plan of load test to some cable-stayed bridge, and expatiates establishment of the finite element model and key points in calculation. The paper specifically analyzes abnormal response of structures during site loading, and performs adjustment and checking calculation of the finite element model according to actual response.

Key words:cable-stayed bridge; load test; abnormal response

文章编号：1009-6477(2016)02-0066-03

中图分类号：U448.27

文献标识码：B

作者简介：刘俊强(1976-)，男，湖南省宁乡县人，硕士，高工。

收稿日期：2015-11-23

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.015