斜塔斜拉桥静载试验分析研究

冯 婉

(山西路桥集团第一工程有限公司，山西 太原 030000)

1 桥梁概况

西安市主桥为工程实例，该桥单塔式斜拉桥、半漂浮体系。跨径布置为145 m+48 m+42 m。48 m+42 m为边跨范围，145 m为主跨范围，如图1所示。主桥横断面布置为：0.8 m(风嘴)+1.1 m(拉索锚固区)+0.25 m(人行道栏杆)+2 m(人行道)+10.5 m(机动车道)+0.5 m(双黄线)+10.5 m(机动车道)+2 m(人行道)+0.25 m(人行道栏杆)+1.1 m(拉索锚固区)+0.8 m(风嘴)，总宽29.8 m。[1]

主塔在主梁结构以上部分高78 m，倾角75°，主塔采用拱形塔，主梁从塔中穿过。斜拉索采用密索布置形式，主跨立面布置21根斜索，索距6 m；边跨布置21根斜索，索距3.8 m，拉索在主塔上间距自上而下由2.5 m渐变到3.8 m。在主跨主梁索距6.0 m，边跨索距3.8 m，拉索采用扇形索形式，主跨拉索倾角为24.9°～47.5°，边跨拉索倾角为46.3°～70.5°。斜拉索采用多股平行钢丝成品索，斜拉索编号从主塔到钢箱梁侧(主跨)编号为C1～C21，从主塔到预应力箱梁侧编号为C1′～C21′。[1]

主梁采用混合梁形式，主梁的断面形式根为双箱双室薄壁型断面。主跨采用钢箱梁，边跨采用预应力混凝土箱梁，混凝土等级为C50，结合位置位于主跨距主墩12.5 m处。荷载标准：城-A级、人群4.0 kN/m2。峰值加速度0.2 g，特征周期0.45 s，设防烈度8°。[1]

2 控制断面选择

对于斜塔斜拉桥结构形式，根据计算得到的该桥在设计活荷载作用下的弯矩、应变及主塔位移，并根据文献[2]和文献[3]的相关要求，最终确定该桥在活载作用下主梁和索塔上最不利截面(控制截面)的具体位置，作为本次试验的测试截面。

(1)应变测点

在箱梁底板及腹板布设纵向应变测点，横隔板在桥面中心线位置沿宽度方向布置横桥向应变测点。其中钢箱主梁每个测试断面设纵向应变测点6个，横向应变测点1个，边跨混凝土箱梁测试断面设置纵向应变测点6个，横向测点1个，主塔塔根截面设置纵向应变测点3个，主塔测试断面设置应变测点12个。[1]

(2)挠度测点

挠度测点设置于主梁两侧，采用全站仪和水准仪协同观测主梁竖向变位及塔顶水平位移。主梁挠度及主塔变位测点布置如图1所示，主梁挠度横桥向测点布置如图1所示。[1]

(3)主梁纵桥向变位测点

主梁纵桥向测试断面布置于主跨，沿横桥向上下游两侧护栏上各布置一个测点，采用机电百分表进行变位测量。[1]

(4)索塔塔顶变位测点

索塔塔顶变位测点设置于塔顶纵桥向两端，采用全站仪进行观测。[1]

(5)斜拉索索力增量测点

各测试工况下，对典型截面部分斜拉索进行索力增量测试，根据活载作用下的索力增量计算结果，选择相应的斜拉索作为索力增量的测试对象。斜拉索编号从主塔到钢箱梁侧(主跨)编号为C1～C21，从主塔到预应力箱梁侧编号为C1′～C21′。[1]

图1 挠度测点横桥向布置位置示意图(单位：mm)

3 大桥静载试验研究

3.1 试验工况

运用静载试验效率来评价静载试验可靠度[4-6]，计算试验弯矩内力值与设计值对比计算，确保该桥荷载效率满足规范要求。各工况试验加载效率分析结果见表1，10种不同加载工况下的荷载效率均在1.0附近，说明本次加载效果良好。

表1 主要测试工况及测试内容一览表

分析表1所列出的各项数据可以看出：在连续所给出的各10个工况测试截面在试验荷载下的加载效率基本满足文献[1]的规定，试验结果符合荷载试验规程要求。

3.2 荷载选择

为选择合适的荷载，进而全面测试加载效果的有效性。本次现场试验采用4辆35 t的重型车开展现场荷载试验，各加载车型布置图见表2。

表2 加载车辆轴重汇总

3.3 荷载试验结果

除此以外，本次还采用迈达斯有限元软件建立了全桥有限元数值仿真分析模型，本次有限元采用两单元建模，截面尺寸和荷载施加按照表中施加的工况进行。

下面图4和图5给出了表1和表2中不同组合工况下现场测试的应变和挠度结果，并与有限元分析结果进行了对比。由图可知，有限元分析结果与现场实测的结果吻合较好。说明了本桥的位移和应力均能够满足相关要求。

(1)索力增量检测结果

本桥在工况10试验荷载作用下的索力增量实测值与计算值对比详见图2～图5。

(2)挠度检测结果

本桥在工况1、2、3、7、8、9试验荷载作用下的各测点挠度实测值域计算值对比。

图3 工况10上游段斜拉索索力实测值与计算值对比曲线图

图4 工况10下游段斜拉索索力实测值与计算值对比曲线图

图5 工况10下游段斜拉索索力实测值与计算值对比曲线图

(3)应变检测结果

本桥在工况1、2、3、4、5、6、7、8试验荷载作用下的各测点应变实测值域计算值对比。

桥梁在试验工况下索力增量检验系数在0.55～0.84之间，挠度检验系数在0.62～0.71之间，应变检验系数在0.66～0.73之间，各测试截面索力增量、应力、挠度(变位)等测点测试结果的渐变趋势均与理论计算吻合，均满足规范要求。

4 结 论

(1)桥梁运营过程中，试验测试的关键截面的内力和变形均为控制关键的受力截面，数据真实有效能够反应桥梁结构受力状况。

(2)各荷载组合下，主梁最大竖向挠度110 mm小于规范规定值L/400，营运阶段满足要求；斜拉索安全系数[29]不应小于2.5，即拉索容许应力为0.4fpk=0.4×1 670=668 MPa，斜拉索在荷载组合最不利工况应力为665 MPa，营运阶段斜拉索满足要求。

(3)温度整体升降温对桥塔钢混结合段影响较大。

(4)主梁在混凝土梁段上缘最大压应力为6.9 MPa，最大拉应力为1.4 MPa，下缘最大压应力为16.2 MPa，最大拉应力为1.7 MPa；在主跨钢箱梁段上缘最大压应力为39.5 MPa，最大拉应力为11 MPa，主梁下缘最大压应力为64.4 MPa，最大拉应力为32.4 MPa。上述材料满足规范要求。

(5)各偏载工况下，左、右侧挠度和应变渐变趋势与理论计算相符，横向抗扭刚度良好。

(6)全桥在荷载试验过程中未出现裂缝，该桥抗裂性能良好。