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1、大跨度独塔斜拉桥静动载试验研究?桥粱?大跨度独塔斜拉桥静动载试验研究施洲曹发辉蒲黔辉(1.西南交通大学成都610031;2.四川省公路规划勘察设计研究院成都610041)摘要对252m跨径的独塔斜拉桥宜宾中坝金沙江大桥实施静力荷载试验,测试并分析静载工况下的主梁挠度,主塔塔顶变位,斜拉索索力增量,主梁与主塔的截面应力.试验结果表明桥跨结构受力合理,具有良好的刚度与强度.在动载试验中,测试桥跨结构的自振特性,并进行了行车激振试验,分析桥跨结构在行车下的冲击作用.同时分析了作为指纹档案的静动载试验结果在桥梁运营后的损伤检测中的应用理论与方法.关键词斜拉桥静载试验动载试验自振特性冲击作用1工程概述宜
2、宾中坝金沙江大桥为一座独塔斜拉桥,跨径布置为:252m+175m,并在边跨设置过渡墩和辅助墩.在预应力混凝土独塔斜拉桥桥型中其跨度位居国内第一,边跨与主跨之比为0.7,属于比较不对称的斜拉桥型.全桥斜拉索共82对,采用环氧全涂装钢绞线体系,采用四层防护,主梁采用边主肋加小纵梁与横隔板形成正交异型板混凝土结构梁,桥宽25m,主塔采用倒H型空间混凝土索塔,混凝土塔高为154.11m,独塔与主粱连接方式采用悬浮体系,在索塔上设置纵横向水平限位装置,设计荷载等级为汽一超20,挂一120.按双向八车道布置.实施成桥静动载试验目的在于检验设计与施工质量,确定工程的可靠性,了解桥跨结构的实际工作状态,判断实
3、际承载能力,评价其在设计使用荷载下的工作性能.通过动力试验了解桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用荷载阶段的动力性能,论证其抗风,抗震性能.并通过试验建立起桥梁指纹档案.2荷载试验设计与实施方法2.1静载加载设计试验加载位置与加载工况的确定主要根据设计控制荷载在主梁,主塔上产生的最不利弯矩效应值,16收稿日期:20040929按0.81.05的效率系数等效换算而得.尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率,同时应考虑简化加载工况,缩短试验时间,每一加载工况依据某一检验项目为主,兼顾其它检验项目.理论计算采用平面专用有限元程序作分析,根据分析结果,中坝金沙江大桥主要针对主跨与边跨主梁的正,
4、负最大弯矩以及主塔的最大弯矩作等效加载.静载测试布置见图1,加载过程中采用分级加载,既可以确保结构的安全,同时可以测试偏载工况下结构的受力状况.2.2静载测试内容与方法静载加载工况下主要测试主梁,主塔应力,斜拉索的索力增量,主梁挠度与主塔塔顶变位.应力测试采用粘贴箔式应变计,由电阻应变测量系统测量,温度补偿用搁置在测点附近事先贴好应变花的混凝土块实现补偿.主梁应力测点布置见图2.斜拉索索力增量采用采用激振测定法,即在加载前后分别对斜拉索的自振频率进行测量,利用斜拉索的几何,材料特性确定的弹性模量推测斜拉索力增量.几何变位测量采用测距标准差为(1inln+2Ixm),测角标准差2的全站仪进行极坐
5、标四测回观测.在试验过程中并用温度枪对斜拉索,梁体,主塔进行点温度测量.2.3动载测试内容与方法动力测试主要包括自振特性测试和行车激振试验.自振挣性测试是测试主梁与主塔的自振频率与振型.行车激振试验包括无障碍行车试验和有障碍铁道建翁技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2OO5(1J?桥粱?I击A十十+B100十*70+C+Di8十IL214主跨负弯距测试断面11112边跨正弯距测试断面L,lJ252主跨正弯距测试断面_175边跨负弯距测试断面【图1桥跨分布与静载测试布置(单位:m)图2主梁应力测点布置行车试验,分别模拟桥面有无损伤时桥面行车对桥跨结构的冲击作用.自振特
6、性测试方法是测试环境随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应,并通过计算机记录并实施FfTr信号处理分析出频域响应结果.行车试验采用车辆以特定速度往返通过桥跨结构,测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应.障碍行车时在截面处桥面上设置障碍物模拟桥面铺装局部损伤状态,以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力反应.由动态应变仪测试主梁的动态应变,并由桥梁光电挠度仪测试主梁的动挠度.3静载试验结果与分析3.1主梁挠度及塔顶变位分析满载工况下主梁对应截面处的挠度测试结果见表1,最大正弯矩加载下主梁几何变位见图3.主塔塔顶变位测试并与计算结果的比较见表2.表1满载工况下对应截面挠度测试结
7、果加载工况加载项目实测值/mm计算值/mm校验系数A工况主跨正弯距一l65.5214.5O.77C工况主跨负弯距一46.4552.03O.89B工况边跨正弯距一l64.35201.41O.82D工况边跨负弯距一36.4538.720.94桥轴向长度,m图3主跨最大正弯矩加载下主梁几何变位曲线表2满载工况下主塔塔顶变位结果mmA工况B工况C工况D工况实测值32.1837.134.754.35计算值40.2841.784.974.03校验系数0.80O.89O.961.O8A,B,C,D工况下的结构校验系数介于0.640.97.各工况的结构校验系数均小于1.0,基本在合理范围之内,说明在试验荷载下
8、结构均处于弹性工作状态,也说明主梁的刚度性能良好.主梁的实测变形曲线平滑连续,且与理论计算变形吻合较好,说明主梁具有良好的整体刚度,受力状况合理,符合设计要求.各偏载工况下,挠度的偏载系数介于于1.041.48之间.偏载系数最大值均出现在主梁最不利位置处,说明偏载效应十分明显,且与加载位置有关,边跨的加载偏载效应比主跨更为显着.在各满载工况下,主塔塔顶变位的结构校验系数介于0.801.08之间,除D工况的校验系数为1.08外,其余工况均小于1.0,且基本处于合理范围之内.而D工况下塔顶变位的量值很小,因此认为主塔具有较好的整体刚度.在偏载工况下,主塔塔顶变位的偏载系数介于1.131.41之间,
9、偏载效应明显.偏A,偏B工况铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2005(1)17?桥粱?的偏载系数要大于偏C,偏D工况,说明主跨加载时偏载效应比边跨加载更为明显.3.2斜拉索索力测试分析斜拉索索力增量测点布置为:对应加载工况下上,下游两侧各测试56对受力最不利斜拉索.在满载工况下,主跨加载(A,B工况)对应测试斜拉索的索力增量校验系数介于0.580.96之间;边跨加载(C,D工况)对应测试斜拉索的索力增量校验系数介于0.561.00之间.索力增量的结构校验系数处于合理范围内,说明索力增量的实测值与计算值相符较好,表明斜拉索受力合理,符合设计要求.在偏载工况下
10、,主跨加载(A,B工况)对应测试斜拉索的索力增量偏载系数介于1.081.41之间;边跨加载(C,D工况)对应测试斜拉索的索力增量偏载系数介于1.261.63之间.从斜拉索的索力增量偏载系数可知,斜拉索受力的偏载效应显着,说明在偏载时斜拉索明显参与主梁抗扭,这与双索面斜拉桥的结构特征是相符合的.3.3主塔应力分析在各满载工况下主塔应力的结构校验系数介于0.701.08之间,略超出合理范围.但实测,计算应力的绝对量值都很小,可见主塔在各工况下均处于弹性受力状态,具有足够的强度,因此主塔的受力是合理的.在各偏载工况下主塔实测应力的偏载系数介于1.011.39之间.偏载系数较为离散,这主要是实测应力的
11、绝对量值很小的缘故.偏载系数的分布说明主塔在主跨一侧的偏载效应较为明显.3.4主梁应力分析主梁应力实测结果与理论值的比较见表3,表3中仅给出主跨加载的结果.表3A,B工况下主梁对应截面应力测试结果MPa主肋主肋底主肋行车小纵小纵测点位置上外上60cm底部道板梁下梁底实测值一O.835.748.I5一I.412.744.1lA工计算值一2.006.329.883.512.723.91况校验系数0.41O.91O.820.401.001.O5实测值一0.342.482.180.091.431.69B工计算值一O.O82.273.21O.321.321.63况校验系数1.O9O.681.O81.O3
12、18主梁应力的结构校验系数介于0.401.08之间,略超出合理的范围.结构校验系数比较离散的主要原因是结构的实际剪滞效应和试验模型的剪滞有一定的差异,从而使主梁应力的计算值和实测值有一定偏差.应力测试值的绝对量值并不大,且实测应变值的回零状况良好,因此可见主梁处于弹性工作状态,并具有足够的强度.主梁实测应力的偏载系数介于0.951.65之间,可见偏载效应较为明显.偏载系数较为离散,说明在主梁不同位置处的偏载效应也有一定差异.4动载试验结果与分析4.1自振特性测试结果与分析自振特性的理论分析采用商用有限元程序AN.SYS建立空间梁杆单元模型作模态分析,桥跨结构的实测自振特性并与理论计算值的比较见
13、表4.自振频率的实测值和理论值基本相符.存在的一定偏差的原因主要是理论计算模型与实际结构的差异以及测试误差的影响.实测结构阻尼较小,说明桥跨结构在环境荷载激励下为小阻尼振动,这和斜拉桥的结构形式是一致的.表4实测自振频率与理论计算比较表振型特征计算频i-/Hz实测频率/Hz实测阻尼比梁纵漂一阶,塔纵弯0.3431O.381O.O2O梁竖弯一阶0.37730.391O.O27梁侧弯一阶0.45490.440O.O18塔横弯一阶O.49090.488O.O2O扭转一阶0.54570.615O.O244.2行车激振结果与分析无障碍行车是重车以10,2O60km/h的速度通过桥面,测试主梁A,C截面处
14、的动态应变.有障碍行车是重车以5,1O,1530km/h的速度通过设置障碍的桥面,测试主梁A,C截面处的动态应变.行车激振下实测主梁动应变时程曲线见图4,图5.O515253545时间,s图440km/h无障碍行车时C截面测点应变时程曲线铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2005(1J如加B7Og眦,?桥梁?O时间/s5O图520km/h障碍行车时C截面测点应变时程曲线A截面无障碍行车主梁肋及小纵梁测点实测冲击系数(1+/.r)介于1.Ol1.07之间,最大值出现在时速为40km/h时,其值为1.07.C截面无障碍行车主梁肋及小纵梁测点实测冲击系数(1+)介
15、于1.031.07之间,最大值出现在时速为50km/h时,其值为1.07.可见无障碍行车对主梁的冲击系数很小,说明当桥面平整时,桥面行车对桥跨结构的冲击作用很小.A截面有障碍行车小纵梁测点实测冲击系数(1+)介于1.211.29之间,最大值出现在时速为20km/h时,其值为1.29,冲击系数相对较大,说明行车对A截面处小纵梁的冲击作用明显.C截面有障碍行车小纵梁测点实测冲击系数(1+/.r)介于1.201.36之间,最大值出现在时速为20km/h时,其值为1.36,冲击系数也相对较大,说明行车对C截面小纵梁的冲击明显.无障碍行车试验表明:当桥面不平整时,桥面行车对桥跨结构的冲击作用将明显增大.
16、车辆对桥跨结构的冲击作用缘于三个方面:车辆自身的振动,桥面不平引起车辆的振动,车辆作为移动力对桥跨结构产生的广义扰动力作用,而这三个作用又是相互耦合相互促进的.对于公路桥梁来说,桥面不平引起的冲击作用则是主要的.5桥梁指纹档案的建立与应用通过桥跨结构的静,动载试验,在整理分析试验结果的基础上建立了大桥的竣工后的详细的结构静动力性能档案资料.为以后该桥在运营后的静,动力检测资料提供了基准数据.静载基准资料使得后续的静载试验分析桥跨结构的整体刚度退降,控制截面受力及其分布变化成为可能,为桥梁结构状况的判定提供了更多,更有力的技术资料.目前动力法损伤检测因其便捷,快速,无损结构,以及更有效地判别损伤
17、与否,损伤定位,以及损伤程度识别等众多优点而引起人们的广泛关注,并逐渐成为桥梁与结构工程前沿领域的热点问题.动力损伤检测的理论与方法有多种,众多的动力检测方法与理论中,大部分方法必须要有结构的初始动力参数作对比.宜宾中坝金沙江大桥的自振特性试验中,详细测试了桥跨结构竖向,横向前几阶的自振频率与振型,数据效果良好,这为以后的动力检测的频率法,模态法,模态曲率法,阻尼法等多种方法的检测应用提供了必要的对比数据.也为动力检测中各类损伤指标法提供了良好的基准.大桥的行车激振试验中详细测试了动应变时程响应,这为动力检测的时域法提供了对比数据.随着动力检测理论与方法的不断发展,动载基准资料必将在以后桥梁检
18、测中发挥越来越重要的作用.6结论由桥跨结构静力荷载试验与分析可知结构在试验荷载下处于弹性受力状态,主梁,主塔的刚度性能良好,受力状况合理,符合设计要求;斜拉索受力合理,主梁具有较好的强度;桥跨结构的偏载效应较为明显,说明主梁的抗扭刚度稍弱;桥跨结构能够满足设计汽一超20,挂一120的荷载等级要求.自振特性测试表明:桥跨结构具有良好的动力性能,符合设计要求;无障碍行车对桥跨结构的冲击作用很小,有障碍行车时冲击作用较为明显.建议应尽力保持桥面平整,以减小行车对桥跨结构的冲击作用.通过桥跨结构的静,动载试验,在整理分析试验结果的基础上建立了宜宾中坝金沙江大桥的竣工后的详细的结构静,动力性能档案资料.为以后该桥在运营阶段,特别是老化阶段的检测与评定提供了基准数据.参考文献1严国敏.现代斜拉桥.成都:西南交通大学出版社,19952崔爱民.银滩黄河大桥静动载试验研究.桥梁建设,2002(5)铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2005(1)19