基于静动载试验的大跨径矮塔斜拉桥性能评价

韩 芳，金 健

（1.山西省公路局 长治分局，山西 长治 046000；2荆门市漳河新区住房和城乡建设局，湖北 荆门 448000）

1 依托工程概况

依托工程桥梁为（120+210+120）m全预应力混凝土矮塔斜拉桥，全长450 m，主桥平面位于直线上，桥面横坡为2%，纵坡为人字坡，坡度分别为2.45%和-2.45%。主桥桥面宽38 m，墩顶梁高6.8 m，跨中梁高3.3 m，梁底曲线采用1.8次抛物线。墩顶0号块梁长20.0 m，悬浇梁段数及梁段长度从根部至跨中分别为：4×3.5 m、20×4.0 m，累计悬臂总长104 m；第13孔和边跨合拢段长2.0 m，边跨现浇段梁长13.9 m。主塔设置在桥面中分带内，设计为矩形截面钢筋混凝土结构，横桥向宽2.5 m，顺桥向宽6～4 m，塔身在横桥向侧面塔中刻深0.3 m、宽0.7～2 m的景观槽口，塔柱四角设0.3×0.3 m倒角。主塔高32.9 m，其中塔顶高0.9 m为装饰段，四侧向中间斜切，形成尖角。斜拉索采用无黏结PE镀锌钢绞线，单股钢绞线直径15.24 cm，标准强度fpk=1 860 MPa，单根斜拉索规格为55-ΦS15.2，采用拉索群锚锚固体系。斜拉索为双索面，布置在主梁的中央分隔带处。塔根两侧无索区长度为70 m，第13孔无索区长度为20 m，边跨无索区长24.9 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m，斜拉索在塔顶的锚固采用分丝管锚固结构。全桥共64根斜拉索。

主桥整幅桥面宽38 m，横向布置为：2 m（人行道板）+2.5 m（非机动车道）+0.5 m（护栏）+12.5 m（行车道）+3 m（中央分隔带）+12.5 m（行车道）+0.5 m（护栏）+2.5 m（非机动车道）+2 m（人行道板）。设计荷载等级：城市-A级。

桥型布置图见图1，桥梁标准断面见图2。

图1 桥型布置图（单位：cm）

图2 横断面布置图（单位：cm）

2 有限元分析

根据桥型结构图，采用midas civil结构分析软件采用杆系单元[1]建立结构仿真计算模型，见图3。全桥结构共离散为293个节点，292个单元。主塔、主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。该矮塔斜拉桥为塔梁固结体系，主塔与主梁采用刚性固结；梁端及塔柱处主梁梁底设支座，支座采用弹性连接模拟。

图3 有限元模型

矮塔斜拉桥静力性能评价指标主要为主梁弯矩、挠度及斜拉索索力，经计算分析，设计荷载作用下主梁最大正弯矩位于边跨0.4L截面附近，为82 242 kN·m，最大负弯矩位于塔柱附近主梁，为-123 859 kN·m，最大挠度位于中跨跨中截面，为134 mm，斜拉索索力最大增量位于跨中16号斜拉索，为337 kN。矮塔斜拉桥动力性能评价指标主要为结构前九阶频率、振型、阻尼比。

3 静力性能评价

3.1 静力试验方案

根据以上分析结果，对该矮塔斜拉桥拟定了6种静力试验工况：

a）CS1 第1孔0.4L截面正弯矩中载工况。

b）CS2 第1孔0.4L截面正弯矩偏载工况。

c）CS3 第2孔跨中截面正弯矩中载工况。

d）CS4 第2孔跨中截面正弯矩偏载工况。

e）CS5 1号墩附近截面负弯矩中载工况。

f）CS6 1号墩附近截面负弯矩偏载工况。

车辆横向加载位置以车道数控制横截面车辆数量，该桥为双向六车道，因此横向采用6辆车布置，如图4所示。图4为中载加载工况对应的横断面布置，偏载时按照偏向一侧，距离人行道边缘或中间分隔带边缘50 cm控制。根据影响线加载及试验控制加载效率，确定各个静力试验工况纵向有效加载位置，见图5；经计算确定该次试验需要加载车最多的工况为24辆总重为320 kN的三轴重车。由图5a，工况CS1和工况CS2车纵向间距为25 m，控制截面距离主塔中心线72 m，共需18辆车；由图5b，工况CS3和工况CS4车纵向间距为25 m，控制截面距离主塔中心线105 m，共需18辆车；由图5c，工况CS5和工况CS6一侧车队后轴距塔柱中心44 m，中跨侧车纵向间距为23 m，控制截面距离主塔中心线65 m，共需24辆车。

图4 车辆横向布置-以中载为例（单位：cm）

图5 车辆纵向布置（单位：cm）

表1为工况CS1～工况CS6，各试验工况对应的控制指标加载效率。由表1可知，加载效率范围为0.854～0.987，均大于0.85，可作为静力性能评价工况。

表1 各控制指标试验效率

3.2 静力试验结果

静力测试指标主要包括边跨0.4L及中跨跨中截面挠度和应变[2]、1号墩附近主梁截面应变、跨中16号拉索索力；挠度测点位于桥面，共4个挠度测点，应变测点位于箱梁内部，共14个应变测点，见图6。

图6 测点布置示意图

图7和图8分别为工况CS3、CS4对应的挠度静力测试结果。由图可知，桥梁跨中中载、偏载静力试验工况下，理论挠度和实测挠度变化规律较为吻合，但实测值小于理论值，工况CS4理论最大挠度134 mm，实测116 mm，偏安全。

图7 工况CS3挠度测试结果

图8 工况CS4挠度测试结果

图9和图10分别为工况CS1、CS5对应的应变静力测试结果。由图可知，边跨0.4L截面主梁、1号墩附近主梁中载静力试验工况下，理论应变和实测应变变化规律较为吻合，但实测值小于理论值，工况CS1理论最大拉应变100 με，实测65 με；工况CS5理论最大压应变32 με，实测27 με，实测小于理论偏安全。16号拉索理论最大索力增量337 kN，实测255 kN，结构静力性能较好。

图9 工况CS1应变测试结果

图10 工况CS5应变测试结果

4 动力性能评价

矮塔斜拉桥动力性能评价指标主要为结构前九阶频率、振型、阻尼比。该文根据依托工程结构特点，在静力分析的基础上，建立动力分析模型，对结构前九阶理论振型进行计算，根据理论振型分布特点进行动力测点布设，根据振型布设测点，测点应布置在试验跨振幅较大的位置，测点布置示意图见图11。为检测该桥的动力特性，对主桥进行跑车试验。

图11 主桥动载测点布置图

表2为模态测试结果。由表可知，该桥实测各阶振型明显，且各阶振动频率实测均大于理论计算值，频率比变化范围1.04～1.78，结构实际刚度大于计算刚度。通常桥梁结构的阻尼比在0.01～0.08之间，实测阻尼比为0.013～0.062，表明桥梁刚度较好。

表2 动力测试结果

图12和图13为典型模态测试图，其中图12为第三阶模态，图13为第六阶模态。由图可知，结构振型规律较好，且与理论振型吻合，结构动力性能较好。

图12 实测三阶模态

图13 实测六阶模态

5 结语

对依托工程（120+210+120）m大跨度矮塔斜拉桥静动力性能进行评价，静力试验结果表明，静力试验加载效率范围为0.854～0.987，均大于0.85，加载效果明显；各控制截面变形规律与理论一致，挠度测点弹性最大值为116 mm，校验系数在0.633～0.870范围，主要应变测点实测最大值为94 με，校验系数在0.600～0.885范围，小于1故安全；理论最大索力增量337 kN，实测255 kN，结构静力性能较好。动力测试结果表明，实测各阶振型明显，且各阶振动频率实测均大于理论计算值，频率比变化范围1.04～1.78，结构实际刚度大于计算刚度。通常桥梁结构的阻尼比在0.01～0.08之间，实测阻尼比为0.013～0.062，桥梁动力性能较好。该文静动力评价方法，可为该桥型提供参考。