重庆东水门公轨两用斜拉桥荷载试验研究

2016-10-28伍静单积明向勇

公路与汽运 2016年1期

关键词：斜拉桥跑车主梁

伍静，单积明，向勇

（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，重庆　401121）

重庆东水门公轨两用斜拉桥荷载试验研究

伍静，单积明，向勇

（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，重庆401121）

重庆东水门大桥为跨越长江的双塔单索面斜拉桥，分为上、下两层，上层设置人行道及双向四车道，下层是双向轨道线。为了解大桥的实际结构受力状况，判断其实际承载能力，评价大桥在设计使用荷载下的结构性能，采用等效荷载加载试验模拟斜拉桥在最不利荷载作用下的工作状态，测试并分析各静载工况下主梁挠度、主梁与主墩控制截面应力、斜拉索索力及索塔偏位；通过动力试验了解桥跨结构的自振特性及其在长期使用荷载作用下的动力性能，分析桥跨结构在行车荷载下的冲击作用，为桥梁维修、管理提供技术依据。

桥梁；斜拉桥；双塔单索面；钢桁架；承载能力；荷载试验

1　工程概况

东水门大桥主桥为222.5 m+445 m+190.5 m双塔单索面斜拉桥，全长962 m。主梁采用双层桁架梁，标准截面梁宽24 m，梁高12 m。主桥桥宽24 m，上层为双向四车道，下层为双线轨道通行。横向布置，上层为3 m人行道+8 m车行道+2 m拉索区+8 m车行道+3 m人行道，下层为1.8 m检修道+10.4 m双向轨道+1.8 m检修道。主梁桁架采用变高度的三角形桁式，全桥采用等节间布置，节间长度16 m。上、下层桥面均采用正交异性钢桥面板。下层桥面横桥向共设置两组地铁纵梁，中心间距为4.6 m，地铁纵梁上设置整体式砼道床板和60 kg/m钢轨作为地铁走行轨道。该桥立面和标准横断面布置见图1～3。

图1　桥梁立面与静载试验测试截面示意图（单位：cm）

设计荷载标准：汽车荷载为双向四车道，公路-Ⅰ级；轨道荷载为双向轨道交通，国家标准B1车型，6辆车编组，轴重140 k N，编组总长112.4 m；计算分布荷载29.9 k N/m；人群荷载，全桥总体计算时荷载集度采用2.875 k N/m2。

图2　拉索横梁断面（单位：mm）

图3　主梁标准断面（单位：mm）

2　有限元模型建立

采用MIDAS/Civil 2012进行建模分析。计算时主梁采用Q345钢材，弹性模量Ec=2.06× 105MPa，容重γ=78 k N/m3；主塔采用C50砼，弹性模量Ec=3.55×104MPa，容重γ=26 k N/m3。建模时主梁、主塔采用空间梁单元模拟，主梁采用单主梁方式，通过刚臂与斜拉索连接，拉索采用桁架单元，分别计算试验荷载对结构控制截面产生的最不利内力，并按该内力值进行等效加载。有限元模型见图4。

图4　东水门长江大桥有限元计算节点模型

3　静载试验

3.1应变测点布置

针对该桥结构特点，选取8个截面作为测试控制截面（见图1）：主梁中跨最大正弯矩截面、横梁应力测试截面（K5）；主梁中跨1/4截面最大正弯矩截面（K4）；主梁边跨最大正弯矩截面（K2）；塔梁交界处主梁最大负弯矩截面（K3）；塔梁交界处塔身截面最大弯矩截面（K6）；塔顶最大偏位加载截面（K7、K8）；南岸区伸缩缝梁端转角测试截面（K1）。测点布置见图5～6。

图5　主梁标准断面应变测点布置（单位：mm）

3.2挠度测点布置

挠度测点布置在桥面左右两侧（即靠近两侧人行道路缘石的位置，见图7）。共布置32个，其中上游测点为N11-1、N21-1、N31-1、…、N161-1，下游测点为N12-1、N22-1、N32-1、…、N162-1 （见图8）。

图6　拉索横梁断面应变测点布置（单位：mm）

图7　主桥竖向变形测点横向布置（单位：mm）

3.3塔顶偏位测点布置

主塔塔顶水平变位测点分别布置在南岸侧、北岸侧主塔顶部，每个塔布置1个测点，南塔、北塔测点编号分别为P1、P2。

3.4试验工况

根据钢桁架梁斜拉桥的受力特点和规范要求，选择主跨跨中截面、主跨1/4截面、塔（墩）梁交界处截面、主塔最大弯矩截面、塔顶最大偏位截面进行试验。根据理论计算结果，试验中采用三轴重车（320 k N/辆）和轴重140 k N的B1型列车（6组编）进行等效加载，车辆载位按照内力影响线布置，每种工况分正载和偏载。设计荷载按列车（双线的90％）+汽车（75％）+人群（75％）考虑，根据设计资料，采用有限元软件进行建模分析。通过分析计算各截面最不利荷载作用下的内力变化，确定具体加载位置。荷载试验效率和加载截面见表1。

3.5静载试验结果分析

3.5.1位移测试结果

主梁控制截面K2、K4、K5挠度实测值与校验系数见表2～4。

图8　主桥主梁竖向变形测点布置（单位：cm）

表1　东水门大桥荷载试验加载效率

表2　K2截面正弯矩工况下挠度测试结果

表3　K4截面正弯矩工况下挠度测试结果

表4　K5截面正弯矩工况下挠度测试结果

从表2～4可以看出：在试验荷载作用下，各试验截面挠度实测值均小于理论计算值，挠度校验系数为0.66～0.81，卸载后的残余变形均小于20％，满足规范要求。

3.5.2塔顶偏位测试结果

试验荷载作用下，塔顶纵向偏位测试结果与校验系数见表5。由表5可知：在最大试验荷载作用下，塔顶实测纵向最大偏位为100.6 mm，小于理论计算值；偏位校验系数为0.65～0.78，卸载后相对残余小于20％，满足规范要求。

3.5.3应变测试结果

试验荷载作用下，主梁应变测试结果见表6～ 7。从表6～7可以看出：在最大试验荷载作用下，主梁各测试截面应变均小于理论计算值，应变校验系数为0.81～0.84，卸载后相对残余应变均小于20％，说明结构处于良好的弹性工作状态。

3.5.4最大索力增量测试结果

在试验荷载作用下，利用频率法对部分斜拉索进行索力增量测试。根据测结果，实测斜拉索索力增量校验系数为0.64～0.83，实测最大相对残余索力小于20％，表明拉索处于较好的弹性工作状态。

表5　试验荷载作用下主塔纵向水平位移测试结果

表6　K5截面应变测试结果

3.5.5梁端转角测试结果

为了测试试验荷载作用下主梁梁端的位移，在1#伸缩缝处梁端头上下游分别布设4个测点，采用电子水准仪进行测试，根据测量结果对梁端的转角进行计算分析。计算结果表明：在边跨最大正弯矩试验荷载作用下，梁端转角为0.002 rad，理论计算值为0.003 1 rad。

续表6

表7　K2～K4截面应变测试结果

3.5.6试验结论

静载试验结果表明，东水门大桥主要控制截面的承载能力和结构刚度均满足设计规范的要求。

4　动载试验

动载试验的动力反应主要包括环境脉动试验和强迫振动试验，用于了解桥梁的自振特性和在使用荷载作用下的动力响应，确定桥梁的动力性能。东水门大桥动力荷载试验包括：1）脉动试验。测定桥跨结构固有振动特性，包括振型、频率、阻尼比。2）车辆行车激振试验。包括跑车试验、刹车试验、跳车试验，跑车试验主要测试试验截面在汽车速度为10 ～40 km/h、列车速度为5～60 km/h时的冲击系数，刹车试验主要测试试验截面在急刹车条件下的冲击系数，跳车试验主要测试跨中截面在跳车激励下的振幅响应、阻尼比，公轨跑车试验主要测试试验截面在汽车和列车同时以20、40 km/h速度行驶时的冲击系数。其中跑车试验分为公路、轨道（单线、双线跑车）两种情况。

4.1桥跨结构动力特性分析

主桥桥跨结构自振特性参数测试结果见表8。从表8可知：实测竖向各阶频率均大于计算频率，实测各阶阻尼比在正常范围内，说明结构竖向动刚度指标良好。

表8　主桥桥跨结构自振特性参数测试结果

4.2行车试验动力响应分析

跑车工况分为汽车跑车，时速为10～40 km/h 共4种工况；列车跑车，时速为5、20、40、60 km/h 共4种工况；公轨跑车，时速为20、40 km/h共2种工况；轨道会车，时速为20、40 km/h共2种工况及刹车工况。实测动应力增大系数k值（即1+μ）为1.00～1.05，小于规范计算值。跑车、刹车及会车试验结构动力响应检测结果见表9～10。