某矮塔斜拉桥荷载试验研究

彭　蓉，向桂兵

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



某矮塔斜拉桥荷载试验研究

彭蓉，向桂兵

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

文章基于有限元分析理论，对某矮塔斜拉桥的静力特性进行试验分析，测试了静载工况下主塔塔顶偏位、主梁挠度、拉索索力增量、主塔及主梁控制截面应力。试验结果表明，主塔及主梁在设计荷载作用下，均处于弹性工作状态，桥梁整体工作性能良好。

矮塔斜拉桥；荷载试验；刚度

0　引言

斜拉桥作为一种拉索体系，经济美观的同时，比梁式桥的跨越能力更大，在市政桥梁中得到广泛使用。为确保桥梁处于良好的运营状态，在工程竣工验收前，需对梁的结构性能及使用功能进行评定，从而了解该桥结构的受力情况和承载能力。桥梁的荷载试验是判断桥梁结构的安全承载力和评价桥梁运营质量的重要手段，通过验证桥梁的承载能力，了解各构件在设计荷载作用下的实际受力状态，评价其工作性能，判断桥梁是否满足现有设计规范及标准的要求。同时，通过桥梁的荷载试验，可为同类型桥梁设计提供宝贵经验，为类似工程提供依据。

1　桥梁概况

该桥位于八步区贺江一桥下游，跨越贺江，北岸接八步区灵峰南路。桥梁采用独塔单索面预应力混凝土展翅箱梁斜拉桥，跨径组成为(86+68)m，全长154 m。边跨跨径68 m，主跨跨径86 m，边、主跨比例为0.79。桥面以上塔高51 m。斜拉索在主梁上标准索距6.5 m，主塔上1.8 m。主梁采用等高度预应力混凝土展翅箱梁结构，C50混凝土，主梁顶板宽27.0 m，设1.5%横坡。主塔为混凝土结构，C50号混凝土，塔高自桥面以上49.4 m，从上到下共分五部分：塔尖区(似火炬状，高3～11 m)、锚固区(塔柱为混凝土箱型截面，外轮廓尺寸7.5×3.5 m，高24.4 m)、中塔柱区(纵向相连的两根扁形混凝土，单根扁形混凝土截面尺寸2.85×2.5 m，高14 m)、下塔柱区(四边形空心截面，截面外轮廓尺寸为6.5×8 m)。主墩墩身采取单箱四室截面，四周设凹槽，墩四周设圆弧倒角，墩高994 cm。

2　实验内容及方法

静载试验工况所需的加载车数量及车辆加载位置，是由设计标准活荷载产生的最不利效应值按式(1)所定原则等效换算求得：

(1)

式中：η——静力试验荷载效率系数；

Sstat——试验荷载作用下，检测部位变位或力的计算值；

S——设计标准活荷载作用下，检测部位变位或力的计算值(不计冲击作用时)；

μ——设计取用的冲击系数。

2.1有限元计算

为确定试验桥梁在设计荷载作用下的测试截面内力、位移及试验车辆的配置等，必须掌握桥梁的影响线分布，为此，可以通过有限元方法进行计算。计算工具采用Midas/Civil软件进行计算分析确定试验车辆的数量、吨位和布载位置。

(1)混凝土

C50混凝土抗压弹性模量Ec=3.45×104MPa；容重γ=26kN/m3。

(2)桥面系

双向4车道，折减系数0.67；人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》计算，引桥为3.0×8kN/m，主桥为2.82×8kN/m。

2.2测试截面及测点布置

通过有限元计算，发现荷载作用于86m跨时，荷载产生的效应明显大于68m跨，故本次试验仅对跨径较大的86m跨进行分析。

2.2.1应变测试截面及测点布置

应变测点布置，加载控制截面布置共3个，最大正弯矩截面为A截面，最大负弯矩截面为C截面，主塔最大弯矩截面为E，具体位置如图1所示。

图1　应变及位移截面位置图(单位：cm)

(说明：图中▍表示应变控制截面；△表示位移控制截面；▽表示主塔偏位控制截面；红线标出索表示最大索力增量控制索)

主梁应变测试截面测点布置如图2所示，每个截面布置8个应变测点，其中1#～4#为正弯矩测试点，5#～8#为负弯矩测试点。

图2　应变控制截面布置图

主塔测试截面上的应变测点布置如图3所示，共布置4个应变测点。

图3　主塔测试截面H上的应变测点布置图(单位：cm)

2.2.2位移测试截面及测点布置

(1)桥塔塔顶布置1个测点，对主塔纵桥向偏位进行观测。测点位置如图1所示，试验前安装好棱镜，采用全站仪进行测试。

(2)主梁共布置7个测试截面，对主梁竖向位移进行观测。测点位置如图4所示，于每个测试截面两侧人行道路缘石边缘各布置1个观测点，共14个位移测点，采用精密水准仪进行测试。

图4　主梁及桥塔位移控制截面布置图(单位：cm)

(3)86 m跨最大索力增量测试拉索为M5和M5′斜拉索，对加载区间索力增量较大的斜拉索进行索力增量测试。测量索力增量的斜拉索有M3～M7斜拉索以及M3′～M7′斜拉索，共10根斜拉索。

以《公路桥涵设计通用规范》规定的公路-Ⅰ级，按4车道布载，双向4车道，折减系数0.67，人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》取用，根据弯矩值的大小确定试验工况，本桥主桥共安排3个试验工况，以检验主梁、桥塔控制截面承受对称或偏载时的承载能力，试验内容、效率系数等如表1所示。

表1　静载工况及效率系数一览表

注：上表中弯矩单位为kN·m，索力单位为kN，位移单位为mm

3　试验结果

3.1主梁应变试验结果

经过试验，主梁最大正弯矩A截面控制工况正载应变校验系数在0.508～0.822之间，正载应变相对残余最大值为9.46%；控制工况偏载应变校验系数在0.485～0.812之间，偏载应变相对残余最大值为2.00%；跨主梁最大负弯矩C截面控制工况正载应变校验系数在0.537～0.951之间，正载应变相对残余最大值为15.79%；控制工况偏载应变校验系数在0.512～0.967之间，偏载应变相对残余最大值为2.94%。具体结果如表2～3所示。

表2　工况1(正载)各控制截面测点应变结果一览表(με)

表3　工况2(偏载)各控制截面测点应变结果一览表(με)

3.2桥塔应变试验结果

经过试验，主塔最大弯矩H截面控制工况应变校验系数在0.784～0.961之间，相对残余最大值为4.76%。具体结果如表4所示。

表4　工况1作用H截面应变结果表(με)

3.3主梁位移试验结果

经过试验，86m跨主梁最大实测挠度为24.26mm(向下)，不大于允许最大挠度值172mm(L/500)；86 m跨主梁挠度正载校验系数在0.727～0.972之间，正载相对残余在0.95%～13.93%之间；偏载挠度校验系数在0.695～0.927之间，偏载相对残余在1.43%～17.52%之间。具体结果如图5～6所示。

图5　工况1(正载)主梁挠度曲线图

图6　工况2(偏载)主梁挠度曲线图

3.4主塔位移测量结果

桥塔顶纵向位移控制工况1(正载)作用下完江南岸移动7.8 mm，纵桥向位移校验系数为0.586，相对残余为11.36%。

3.5索力增量结果

(1)索力增量校验系数：控制工况加载下，索力增量校验系数分别在0.853～0.916。具体结果如表5所示。

(2)索力安全系数：

最大索力增量实测值199.4 kN；

恒载索力为2 814.4 kN；

累计索力3 013.8 kN；

钢丝面积A=0.005 269 7 m2；

抗拉强度σb=1 860 MPa，由

(2)

所以安全系数为3.23，>2.5，安全可靠。

表5　最大索力增量控制工况1(正载)、工况2(偏载)索力增量结果表(kN)

4　结语

(1)主梁及主塔最弯矩截面控制工况应变校验系数均<1.00，相对残余均<20%，说明结构强度满足规范要求，结构在试验工况下处于弹性受力状态。

(2)主梁挠度校验系数均<1.00，挠度相对残余<20%，说明结构刚度满足规范要求。

(3)桥塔顶纵向位移控制工况纵桥向位移校验系数为0.586，相对残余为11.36%，说明桥塔受力性能良好，满足设计要求。

(4)实测索力增量和理论计算值基本吻合，且有较高的安全储备，说明索力增量满足设计要求。

综上所述，该矮塔斜拉桥强度和刚度满足设计要求，使用性能良好。

[1]林元培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，1994.

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[3]刘旭政，商岸帆，黄平明.抖拉桥待载试验工况合并研究[J].中外公路，2011(4)：167-170.

Experimental Study on Load Test of An Extradosed Cable-stayed Bridge

PENG Rong，XIANG Gui-bing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Based on the theory of finite element analysis，this article analyzed the static characteristics of an extradossed cable-stayed bridge through the test，and tested the main-tower overhead deviation，main-beam deflection，cable force increment，main-tower and main-beam control section stress under static load conditions.The results showed that the main tower and main beam are in elastic working state under the design loads，with good overall working performance of bridge.

Extradosed cable-stayed bridge；Load test；Stiffness

2016-05-15

U448.27

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.012

1673-4874(2016)06-0043-04

彭蓉(1985—)，工程师，研究方向：桥梁检测与加固设计；

向桂兵(1982—)，工程师，主要从事公路桥梁勘察设计工作。