非对称型贝雷钢斜拉桥荷载试验研究

张明文

（1.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310006；2.浙江交科交通科技有限公司，浙江 杭州 310006）

随着我国公路水运基础建设的快速发展，公路桥梁工程从建设条件良好的平原地区不断深入到建设条件差的高压山区环境当中，不仅要跨越大江大河，也要跨越山谷；因此大型桥梁的建设必不可少，大跨径公路桥梁越来越常见。如此多的大跨径桥梁不仅在战时面临严重威胁；即使在平时，由于地震、山洪、泥石流等自然灾害引起的船撞桥梁，也会造成桥梁损毁，出现交通中断的情况，如青海省果洛州玛多县发生的7.4级地震，造成西丽高速玛多县境内的野马滩大桥和野马滩2号大桥发生坍塌，广东九江大桥、浙江金塘大桥、四川红东桥等或因船舶撞击、水毁、车辆燃烧等造成桥梁的局部损毁或整体损坏而坍塌。根据以往经验，损毁桥梁的修复时间短则几月、长则一两年；在短时间内架通桥梁，满足交通应急需要，对保证战时军队物资运输及平时社会秩序正常运转具有十分重要的意义。

基于ZB-200型贝雷改进的直塔装配式斜拉钢桥[1]最大跨径已从60 m发展到102 m，但还不足以应对当今诸多跨径102 m以上桥梁的应急需要。本文研究非对称结构人字形斜塔桥装配式斜拉钢桥，跨越能力可以达到130 m并满足不低于履带式荷载50 t、轮式轴压13 t以下的各种车辆通行要求[2]，以补充跨径在102～130 m桥梁的应急需要。

1 桥型设计

在原跨径102 m的斜拉装配式公路钢桥的基础上，优化结构形式和构建方式，提高整体安装效率，增大结构的适用范围和灵活性，提出两种结构方案，比选出一种可用于日后大范围推广使用的新型装配式公路桥梁。

1）直塔方案：全长231.65 m，塔高42.672 m。见图1。

图1 直塔大跨径斜拉装配式公路钢桥

2）斜塔方案：全长182.88 m，塔高39.837 m。人字形斜塔，主塔长42.672 m、辅塔长32.220 m，辅塔辅助桥塔施工。见图2。

图2 人字形斜塔大跨径斜拉装配式公路钢桥

通过对适用性、构件总量、施工效率、受力性能、技术先进性等指标的对比分析[3]，得出人字形斜塔方案各方面均更优于直塔方案。见表1。

表1 桥型方案对比

2 荷载测试

2.1 试验方法

静载试验采用一辆六轴285、457、637、724.5 kN加载车进行分级加载[4]。静载应力采用应变传感器和数据采集仪进行测试和数据采集，主梁挠度和主塔偏位采用小棱镜与全站仪配合进行测试采集。见图3和表2。

图3 加载车

表2 加载车主要参数 kN

动载试验是利用Midas civil 2015有限元软件对试验桥进行三维建模，以获得理论分析动力特性数据，作为试验结果对比。桥梁材料性能、尺寸、约束等模拟假定与静载模型一致。见图4。

图4 桥梁竖向振型

通过使用一辆15 t加载车，无障碍进行2 000次试验激振桥梁，采集振动信号并分析得到实测动力参数。

2.2 测点布设

主要测试钢桥主塔的位移、索力，主梁挠度以及钢桥各处塔梁的应力。在主塔塔顶侧面布设一个测点，用全站仪观测主塔位移；采用压力环进行索力监测；在主梁ZB-200型贝雷桁架竖杆位置用连通管布设挠度测点、全桥共布10个[5]；钢桥塔、梁的应力监测采用基于霍尔效应的高精度数码传感器，测点具体位置见图5和图6。

图5 桁架主梁挠度竖杆测点位置

图6 贝雷各处应力监控点布置

2.3 测试过程

加载车辆向陆地侧行驶，主跨加载7个工况，主要测试悬河跨构件；边跨加载2个工况，主要测试边跨最大索力工况的边跨构件。见图7。

图7 静载试验加载工况

为尽量详细的测试钢桥性能，静载试验测试从陆地侧开始，以16 m左右加载一次，以加载车第1轴P1为控制轴加载，每次加载均测试主梁相关断面各测点应力、挠度、索力及主塔纵横向偏位情况。

对637 kN加载车分别进行正载和偏载的加载。加载车为3轴濠乐牌半拖车+3轴通华牌半挂车进行，共分285、457、637、724.5 kN四级加载。见图8。

图8 正载横向布置

3 测试结果分析

3.1 静载试验位移

主梁和塔在加载724.5 kN正载时，位移最大。见表3。

表3 四级加载正载最大位移测试结果

3.2 静载试验索力

在724.5 kN正载和637 kN偏载过程中，测点索力校验系数基本均在0.7～1.3之间。见表4。

表4 724.5 kN正载和637 kN偏载最大索力测试结果

3.3 静载试验应力

在724.5 kN正载和637 kN偏载过程中，各工况贝雷桁架最大应力见表5。

表5 四级加载正载各杆件最大应力测试结果

续表5

3.4 动载

实测本桥动载试验频率与理论计算值比较见表6。

表6 动力特性分析

由表6可见，本桥动载试验中竖向一阶基频实测值较理论计算基频低，说明实测结果反映的结构竖向刚度比计算结果反映的竖向刚度小，实测阻尼比也处于正常状态。

4 结论与建议

1）主梁各主要挠度测点的实测值和理论值规律一致，桥梁实际工作状态与设计较一致。

2）在724.5 kN重车正载作用下，主梁的竖向最大挠度实测值为388.1 mm，满足JTGT 3365-01—2020《公路斜拉桥设计规范》平板挂车或履带车规定的L/400×1.2=388.6（mm）限值要求。

3）主塔纵向偏位四级加载时位移校验系数基本0.9～1.0，主塔刚度与理论计算值一致。

4）斜拉索的实测值和理论值规律一致，斜拉索工作状态与设计较一致，索力校验系数基本1.1～1.3。

5）实测应力与理论应力变化规律基本吻合，主梁应力校验系数基本＜1.0。

6）动载实测结构基频小于理论基频，实测阻尼比为0.064～0.08。

本桥存在部分测点的实测挠度和索力略大于设计期望值，分析认为主要原因是本桥设计由节段构件拼接而成，销接、支撑、“一分三”斜拉索等都较难用桥梁分析软件真实的模拟，同时加载车辆位置、测试仪器本身等存在一些无法完全消除的误差，但实测挠度和应力在规范允许的桥梁挠度限值和钢材应力容许值范围内。

综上所述，本桥型的设计可以满足公路-Ⅱ等级的应急使用，但考虑到每次应急抢险时架设场地条件、施工人员素质均有所差异，基于本次荷载试验的测试分析，针对本桥及相同结构在设计和实际长期应用时还需采取相对保守的措施，以提高桥梁运行的安全系数。