馬宏亮，曾廣武，蔡超勛

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋為雙斜塔斜拉橋，跨徑布置為(40+42+42+51)m邊跨+450 m主跨+(51+42+42+40)m邊跨，主橋全長800 m。主梁采用鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，主跨大部分(432 m)采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主跨其余部分及邊跨采用預應力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁與預應力混凝土箱梁之間設(shè)置鋼混結(jié)合段過渡。主梁全寬37 m(包括兩側(cè)各1 m寬的風嘴)，梁頂寬35 m，梁底寬22.6 m，梁高3 m。

主塔為A字形鋼塔，向主跨側(cè)傾斜12°，主梁在塔下穿過，主塔與主梁相交位置設(shè)置輔助墩及支座。10#主塔高132 m、11#主塔高128 m，伸入承臺上的塔靴并與之固結(jié)，主塔順橋向尺寸沿塔身從頂部5 m漸變至底部約10 m，橫橋向尺寸為3.3 m。

斜拉索采用空間扇形雙索面體系布置，全橋共有斜拉索68對，采用直徑7 mm的低松弛高強平行鍍鋅鋼絲成品索，外層防護采用熱擠雙層高密度PE防護套。斜拉索塔上錨固于鋼塔中箱室，梁上錨固區(qū)位于機動車道與非機動車人行混行道之間。

橋梁設(shè)計荷載標準為公路—Ⅰ級汽車荷載［1］，雙向6車道，橫向折減系數(shù)0.55，縱向折減系數(shù)0.96，沖擊系數(shù)0.05。人群荷載標準值為2.5 kN/m2，荷載系數(shù)1.15。橋梁抗震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防措施等級為8級。

對該橋進行成橋靜動載試驗，目的在于通過荷載試驗了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評價橋梁的運營質(zhì)量;檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，為工程竣工驗收提供重要依據(jù)，為今后安全運營提供必要的技術(shù)參數(shù)［2-3］。

1 理論分析

4#大橋主橋的理論分析計算采用有限元方法，試驗前利用大型有限元軟件ANSYS建立了該橋的空間有限元分析模型，對其靜動力學性能進行了較全面的仿真計算［4］。

在該橋的有限元建模中，撓度、應力與索力的計算采用空間桿、板及塊體單元，其中主梁、主塔鋼結(jié)構(gòu)部分全部采用板單元，主梁、主塔及基礎(chǔ)混凝土部分全部采用塊單元，斜拉索采用桿單元。全橋共161 701個單元，166 826個節(jié)點。

2 試驗概況

2.1 測試內(nèi)容

靜載試驗測試的主要內(nèi)容包括:主梁和主塔控制截面應力、主梁控制截面撓度、主塔塔頂縱向位移、斜拉索索力測試。圖1為靜載試驗測試截面位置示意圖，1～6截面為主梁應力測試截面，7截面為主塔應力測試截面;A～D截面為主梁撓度測試截面，E截面為主塔塔頂縱向位移測試截面。截面內(nèi)應力測點布置見圖2、圖3和圖4。

動載試驗測試的主要內(nèi)容包括:脈動測試和行車激振測試。脈動測試主要測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。行車激振測試通過跑車試驗和跳車試驗測試橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應和動應力。

2.2 加載工況

通過撓度和應力影響線加載計算，根據(jù)控制內(nèi)力或變位等效原則，按照靜力試驗荷載效率的要求(0.95≤η≤1.05)［5］確定本次靜力試驗荷載。依據(jù)對設(shè)計荷載效應的計算結(jié)果，本次靜載試驗荷載采用30輛重約360 kN的載重汽車進行加載，分4個工況:工況1，主跨跨中最大正彎矩加載，加載效率1.01;工況2，10#塔支點最大負彎矩加載，加載效率0.95;工況3，10#塔塔身最大受力加載，加載效率0.97;工況4，南51 m邊跨跨中正彎矩加載，加載效率0.96。

圖1 靜載試驗測試截面位置

圖2 1，2截面應力測點布置

圖3 3～6截面應力測點布置

圖4 7截面應力測點布置

本次動載試驗荷載采用1輛重約360 kN的載重汽車，在橋面無任何障礙的情況下，以10，20，30，40，50，60 km/h的速度在上游行車道駛過各測試截面位置。

3 靜載試驗結(jié)果與分析

針對不同加載工況計算出各測試點的撓度(位移)、應力和索力，并與實測的各項結(jié)果進行對比分析(限于篇幅，本文僅以滿載工況為例)。表1為滿載工況下對應截面撓度(位移)測試結(jié)果，表2、表3為滿載工況下主梁、主塔對應截面應力測試結(jié)果，表4為滿載工況下對應截面索力測試結(jié)果。

表1 滿載工況下對應截面撓度(位移)測試結(jié)果

表2 滿載工況下主梁對應截面應力測試結(jié)果 MPa

表3 滿載工況下主塔對應截面應力測試結(jié)果 MPa

表4 滿載工況下對應截面索力測試結(jié)果 kN

3.1 撓度(位移)分析

從表1可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度實測值小于計算值，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.888～0.983。10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度實測值小于計算值，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.888～0.936;塔頂縱向位移實測值小于計算值，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.735～0.754。結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求［5］，說明主跨和主塔的整體剛度都符合設(shè)計和試驗要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度實測值接近計算值，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為1.067～1.097，略＞1，考慮到測量值較小，測量精度會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，經(jīng)與設(shè)計單位交流分析后確認能滿足公路—Ⅰ級荷載的承載力要求。

主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主梁撓度最大相對殘余變形為8.9%;10#塔塔身最大受力加載工況下，主梁撓度最大相對殘余變形為9.5%，塔頂縱向位移最大相對殘余變形為5.5%;南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中撓度最大相對殘余變形為9.4%，均滿足規(guī)范規(guī)定的不超過20%的限值要求［5］，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

主跨跨中實測最大撓度為389.9 mm，實測撓跨比為L/1 154，滿足規(guī)范規(guī)定的≤L/400的限值要求［5］;南51 m邊跨跨中實測最大撓度為3.4 mm，實測撓跨比為L/15 000，滿足規(guī)范規(guī)定的≤L/500的限值要求［6］，說明結(jié)構(gòu)的靜力剛度較大，整體工作狀態(tài)良好。

由主跨跨中實測撓度與加載效率的關(guān)系曲線(圖5)可以看出，實測撓度與加載效率呈良好的線性關(guān)系;由塔頂實測縱向位移與加載效率的關(guān)系曲線(圖6)可以看出，實測縱向位移與加載效率呈良好的線性關(guān)系，說明主梁和主塔均都于彈性工作階段，工作性能良好。

圖5 主跨跨中實測撓度與加載效率的關(guān)系

圖6 塔頂實測縱向位移與加載效率的關(guān)系

3.2 應力分析

從表2可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，主跨中主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數(shù)為0.977，底板的應力校驗系數(shù)為0.799，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

10#塔支點最大負彎矩加載工況下，鋼混段混凝土截面主梁頂板測點的應力實測值接近計算值，頂板的應力校驗系數(shù)為1.032，略＞1，考慮到施工結(jié)束時主梁頂板的預應力值有較大富余，經(jīng)與設(shè)計單位交流分析后確認能滿足公路—Ⅰ級荷載的承載力要求;主梁底板測點的應力實測值低于計算值，底板的應力校驗系數(shù)為0.915，滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。鋼混段鋼箱梁截面主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數(shù)為0.581，底板的應力校驗系數(shù)為0.892，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

南51 m邊跨跨中正彎矩加載工況下，邊跨跨中主梁頂、底板測點的應力實測值均低于計算值，頂板的應力校驗系數(shù)為0.886，底板的應力校驗系數(shù)為0.862，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

從表3可以看出，10#塔塔身最大受力加載工況下，10#塔塔底鋼構(gòu)件測點的應力實測值均低于計算值，上游塔支截面的應力校驗系數(shù)為0.631，下游塔支截面的應力校驗系數(shù)為0.648，均滿足規(guī)范規(guī)定的≤1的限值要求。

截面實測應力與計算應力隨加載效率呈良好的線性關(guān)系，實測應力回零狀況良好，說明主梁和主塔都處于彈性工作階段，整體工作性能良好，強度滿足設(shè)計要求。

3.3 索力分析

從表4可以看出，主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數(shù)為3.5～3.9;10#塔支點最大負彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數(shù)為3.2～3.5;10#塔塔身最大受力加載工況下，對應截面斜拉索的安全系數(shù)為3.5～4.3，均滿足規(guī)范規(guī)定≥2.5 的限值要求［6］。

斜拉索的恒載索力遠高于試驗荷載本身所產(chǎn)生的索力增量。主跨跨中最大正彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數(shù)為1.041～1.100;10#塔支點最大負彎矩加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數(shù)為0.921～0.952;10#塔塔身最大受力加載工況下，對應截面斜拉索的索力增量校驗系數(shù)為0.976～1.023。索力增量校驗系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，索力增量實測值與計算值相符較好，說明斜拉索受力合理，符合設(shè)計要求。

4 動載試驗結(jié)果與分析

橋跨結(jié)構(gòu)第一階振型為主梁豎向一階振動，實測頻率為0.410 Hz，計算頻率為0.392 Hz;第二階振型為主梁橫向一階振動，實測頻率為0.586 Hz，計算頻率為0.517 Hz。豎向自振頻率與橫向自振頻率的實測值均略高于計算值，說明結(jié)構(gòu)的實際動剛度不小于理論動剛度，與理論期望值一致。

跑車試驗和跳車試驗主跨跨中截面振動響應和動應力測試結(jié)果見表5。從表中可以看出，跑車試驗時50 km/h及以下車速對橋跨結(jié)構(gòu)的影響沒有明顯差異，其沖擊系數(shù)約為1.05;而以60 km/h車速行駛時，振動響應和沖擊系數(shù)明顯增大，其沖擊系數(shù)接近1.10。跳車(5 km/h)試驗時，振動響應和沖擊系數(shù)放大效應更明顯，沖擊系數(shù)達到1.22，但仍滿足＜1.30的規(guī)范限值要求［1］。跳車試驗時的沖擊系數(shù)明顯高于跑車試驗，說明橋面鋪裝不平整或局部缺陷會給結(jié)構(gòu)的工作狀況產(chǎn)生較嚴重的不利影響，應隨時注意對橋面鋪裝的維護工作。

表5 主跨跨中截面振動響應和動應力測試結(jié)果

5 結(jié)論

通過對鄂爾多斯市烏蘭木倫河4#大橋主橋的靜動載試驗，以及對大量測試數(shù)據(jù)進行的整理分析表明，該橋在剛度、強度等方面符合設(shè)計要求，滿足公路—Ⅰ級荷載運營要求。

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