劉俊強(qiáng)，高　飛

(重慶市交通委員會(huì)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 重慶　400060)

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某斜拉橋荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及加載反常響應(yīng)分析

劉俊強(qiáng)，高飛

(重慶市交通委員會(huì)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 重慶400060)

摘要：對(duì)某斜拉橋荷載試驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，闡述有限元模型的建立及其計(jì)算要點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的反常響應(yīng)進(jìn)行具體分析，并根據(jù)實(shí)際響應(yīng)對(duì)有限元模型進(jìn)行調(diào)整和反復(fù)試算。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；荷載試驗(yàn)；反常響應(yīng)

1工程概況

某斜拉橋?yàn)?跨連續(xù)半飄浮體系，其跨徑組合為64 m+2×68 m+608 m+2×68 m+64 m。邊跨設(shè)置2個(gè)輔助墩和1個(gè)過(guò)渡墩(臺(tái))。

主梁為PK斷面的混合梁，中跨采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土箱梁；鋼箱梁與混凝土箱梁交界在中跨的兩主塔附近。在鋼-混凝土結(jié)合段的箱梁端部設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，格室內(nèi)填充混凝土，鋼格室腹板上設(shè)置PBL剪力鍵。鋼箱梁邊縱腹板采用抗層狀撕裂鋼Z15。箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。

索塔為塔柱、橫梁組成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中32#索塔高196.7 m，33#索塔高206.4 m。2索塔下塔柱高度不同，上、中塔柱高度和構(gòu)造均相同。塔柱斷面為矩形空心截面(倒圓角)，塔底斷面尺寸10.0 m(順橋向)×8.4 m(橫橋向)，底部7 m范圍設(shè)置實(shí)心段，其上設(shè)置高13 m，橫向厚1 m的隔板。

在索塔下橫梁、輔助墩、過(guò)渡墩(橋臺(tái))處設(shè)豎向支座，均為雙向球形鋼支座；索塔、過(guò)渡墩處設(shè)橫向抗風(fēng)支座。成橋運(yùn)營(yíng)階段，縱向限位±420 mm。主梁與索塔橫梁處順橋向采用2組阻尼裝置。

斜拉索采用平行鋼絲，索面按扇形布置，每一扇面由19對(duì)斜拉索組成，全橋共設(shè)76對(duì)斜拉索。中跨標(biāo)準(zhǔn)索距15.5 m，邊跨索距分別為10和8 m。

主橋立面和主梁橫截面分別如圖1、圖2所示。

2測(cè)試斷面與加載試驗(yàn)項(xiàng)目確定

2.1測(cè)試斷面確定

根據(jù)該橋的受力特點(diǎn)，主要考慮進(jìn)行主塔偏位、主梁撓度、主梁縱飄位移、索力最大增量等常規(guī)試驗(yàn)測(cè)試[1-2]。同時(shí)，還針對(duì)鋼箱梁和混凝土梁結(jié)合處的截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試[3-4]，以考查此處的變形協(xié)調(diào)情況。橋梁測(cè)試斷面布置如圖3所示。

2.2各工況試驗(yàn)車輛布置及計(jì)算值

通過(guò)有限元模型提取各截面內(nèi)力(位移)影響線，并在其上布置荷載，檢查荷載效率能否達(dá)到規(guī)范要求[5]。繪制設(shè)計(jì)活載的內(nèi)力包絡(luò)圖，并在有限元模型上進(jìn)行加載計(jì)算，檢驗(yàn)各斷面上的內(nèi)力是否超過(guò)內(nèi)力包絡(luò)范圍。如果超過(guò)內(nèi)力包絡(luò)范圍，則需調(diào)整加載車輛的布置[6]。另外，應(yīng)變傳感器布置在應(yīng)力變化較大的截面和測(cè)點(diǎn)上。

注：1.為墩臺(tái)編號(hào);2.單位：cm。

圖2　主梁橫斷面大樣

注：1.A～H表示加載控制點(diǎn);2.單位：cm。

3動(dòng)力荷載試驗(yàn)

3.1主橋動(dòng)力特性檢測(cè)

動(dòng)力特性檢測(cè)包括固有頻率、阻尼比、振型、中跨振幅(動(dòng)應(yīng)變)、沖擊效應(yīng)等。

3.2脈動(dòng)試驗(yàn)

在橋面無(wú)交通荷載及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激勵(lì)而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)[2]，包括固有頻率、阻尼比、振型等。

3.3無(wú)障礙行車試驗(yàn)

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用4輛(每幅2輛)載重汽車分以30、40、50和60 km/h的速度對(duì)稱勻速駛過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。

4有限元模型建立

4.1成橋狀態(tài)索力測(cè)試

[2]維晨佐·阿蘭喬·路易茲：《羅馬法中的委任》，拿波里：Jovene出版社，1965年，第17頁(yè)及以下；朱塞佩·普羅維拉：《委任(歷史)》，載《法學(xué)百科全書》1965年(第25卷)，第313頁(yè)；雷默·馬爾蒂尼：《羅馬法中的委任》，載《私法學(xué)說(shuō)匯纂(民法)》1994年第11卷，第198頁(yè)及以下；柯珀拉·比薩扎：《從 iussum domini到contemplatio domini：代理史研究》，米蘭：Giuffrè出版社，2008年，第206頁(yè)及以下。

考慮到荷載試驗(yàn)僅考慮活載工況，而受力結(jié)構(gòu)又是在恒載狀態(tài)下受活載影響，所以須進(jìn)行恒載狀態(tài)下的索力測(cè)試。

4.2采用有限元程序建立空間模型[7]

有限元模型建立時(shí)，斜拉索用桁架單元模擬，且須結(jié)合恒載狀態(tài)索力大小和設(shè)計(jì)索力來(lái)修正索的垂度效應(yīng)。等效彈性模量用Ernst公式計(jì)算。

為了模擬車輛的偏載效應(yīng)，根據(jù)索的位置對(duì)主梁建立2根縱向梁?jiǎn)卧?，其剛度等效于橋面板和雙箱梁共同作用下的縱向剛度。橫向連接則通過(guò)梁?jiǎn)卧c2根縱梁正交連接，其剛度等效于橋面板橫向和橫系梁剛度共同作用。梁體模擬成魚骨型梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

有限元模型共有152個(gè)桁架單元、625個(gè)梁?jiǎn)卧?，共?jì)728個(gè)節(jié)點(diǎn)。用梁?jiǎn)卧M主塔；用彈性支撐來(lái)模擬輔助墩上的橡膠支座；用豎向單向支撐桿單元來(lái)模擬主墩上的四氟滑板支座。有限元模型如圖4所示。

圖4　計(jì)算模型

4.3有限元模型檢驗(yàn)

5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及反常響應(yīng)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，大部分工況能與有限元模型計(jì)算一致，應(yīng)變、索力和主梁位移均在合理范圍內(nèi)，校驗(yàn)系數(shù)也能滿足規(guī)范要求。

但是，在主塔最大偏位工況下，發(fā)現(xiàn)荷載試驗(yàn)加載過(guò)程中2個(gè)主塔變形(32#塔<33#塔)與有限元模型計(jì)算結(jié)果(32#塔>33#塔)差異較大。也就是說(shuō)，理論計(jì)算32#塔的位移最大，但實(shí)際加載過(guò)程中，測(cè)得32#塔的位移比33#塔的要??；而理論計(jì)算33#塔的位移比32#塔的位移大，但實(shí)際加載過(guò)程中，測(cè)得33#塔的位移比32#塔的要小。

經(jīng)反復(fù)比較和查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有加載工況的主梁縱向位移都很小。分析原因：只有主塔支座和輔助墩產(chǎn)生了縱向抵抗力，才能使主梁位移變?。贿吙缰髁簽榛炷两Y(jié)構(gòu)，重量較大，主塔支座雖然為四氟滑板支座(低摩擦系數(shù)μ≤0.03)，但因其受的正壓力較大，故仍產(chǎn)生了較大摩阻力，同時(shí)輔助墩對(duì)主梁也有較大的縱向力約束。為此，進(jìn)行了有限元模型試算。計(jì)算結(jié)果表明，輔助墩處的模擬支座上產(chǎn)生的縱向支座反力較大。

由于強(qiáng)迫位移的計(jì)算方法僅能估算縱向反力的大小，導(dǎo)致斜拉體系和主梁的受力計(jì)算結(jié)果將偏離實(shí)際，因此，筆者改用外荷載的方式來(lái)模擬支座摩阻力和輔助墩的抵抗力。而采用外荷載方式模擬支座摩阻力和輔助墩抵抗力時(shí)，維持邊界約束條件不變，即取消輔助墩處的縱向強(qiáng)迫位移，并重新代入有限元模型進(jìn)行試算。計(jì)算結(jié)果表明，2個(gè)主塔的變形趨勢(shì)與實(shí)際相符，且主梁和斜拉索的受力均在合理范圍內(nèi)。

因計(jì)算模型的荷載條件發(fā)生了變化，故須對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，并重新計(jì)算試驗(yàn)加載的各種工況。重新計(jì)算各種工況后，發(fā)現(xiàn)所有工況的應(yīng)變和撓度的校驗(yàn)系數(shù)都在合理范圍內(nèi)。由此可知，修正計(jì)算模型后，有限元模型的仿真分析符合橋梁的實(shí)際受力情況[8]。

6試驗(yàn)結(jié)果處理

根據(jù)測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算值，對(duì)各個(gè)測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)、殘余變形、撓度校驗(yàn)系數(shù)、索力增量測(cè)試結(jié)果等逐一進(jìn)行分析[4]，并整理形成試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告。

7結(jié)束語(yǔ)

大型斜拉橋?qū)儆诙啻纬o定結(jié)構(gòu)，荷載試驗(yàn)過(guò)程比較復(fù)雜，故對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算須進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，防止出現(xiàn)與設(shè)計(jì)圖紙或?qū)嶋H加載響應(yīng)不一致的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)非常規(guī)的受力響應(yīng)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析原因，防止試驗(yàn)報(bào)告中遺漏重要的影響因素而得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG/T D65—2007公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG/T D60-01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F 50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]徐國(guó)平，張喜剛.混合梁斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]交通運(yùn)輸部公路局.JTG B01—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2014.

[6]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.Midas分析與設(shè)計(jì)原理手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[8]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Design of Load Test Plan and Analysis of Abnormal Loading Response of Some Cable-stayed Bridge

LIU Junqiang, GAO Fei

Abstract:This paper designs plan of load test to some cable-stayed bridge, and expatiates establishment of the finite element model and key points in calculation. The paper specifically analyzes abnormal response of structures during site loading, and performs adjustment and checking calculation of the finite element model according to actual response.

Key words:cable-stayed bridge; load test; abnormal response

文章編號(hào)：1009-6477(2016)02-0066-03

中圖分類號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：劉俊強(qiáng)(1976-)，男，湖南省寧鄉(xiāng)縣人，碩士，高工。

收稿日期：2015-11-23

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.015