多塔单索面波形钢腹板斜拉桥荷载试验研究

卢义，张若钢

(1.武汉经济开发区建设工程服务中心，湖北武汉 430052;2.中南安全环境技术研究院有限公司，湖北武汉 430052)

多塔单索面波形钢腹板斜拉桥荷载试验研究

卢义1，张若钢2

(1.武汉经济开发区建设工程服务中心，湖北武汉 430052;2.中南安全环境技术研究院有限公司，湖北武汉 430052)

为分析和研究波形钢腹板单索面斜拉桥在自身恒载和设计使用荷载作用下的实际受力性能，以某多塔单索面波形钢腹板斜拉桥荷载试验为背景，建立全桥三维有限元仿真模型，阐述荷载试验的内容及方法，对大桥的静、动力特性进行分析研究。针对单索面体系、主梁单箱五室波形钢腹板的特点，对正应力分布情况、剪力滞效应及箱梁扭转程度进行重点分析。试验数据表明：大桥主梁挠度、应力、斜拉索索力及主塔偏位等参数满足规范要求。

多塔单索面斜拉桥；波形钢腹板；荷载试验；有限元

某桥主桥桥跨布置为(79+5×150+79)m，采用塔梁固结、梁墩分离、梁底设支座的结构体系。全桥布置6根钢筋混凝土塔柱。斜拉索为扇形布置，由主塔向跨中依次编为：C1、C2、C3、……、C9，每塔共2×9对索，全桥共2×54对索。主梁采用单箱五室波形钢腹板PC箱梁，C50混凝土，顶板厚度为28 cm，顶板悬臂段长4.75 m，顶板宽36.8 m，底板厚度为25 cm，宽度为29.8 m。主梁设置6道Q345q波形钢腹板，钢腹板采用1600型构造形式，同一断面的六道腹板采用等厚设计,直板段长度0.430 m，斜板段投影长度0.37 m，直线长度0.43 m，波高0.22 m。大桥主桥总体布置如图1所示(图中长度单位为m)。

图1 大桥主桥总体布置图

1 有限元模型分析

采用Midas/Civil建立全桥杆系有限元模型，塔柱、主梁为空间梁单元，采用桁架单元模拟斜拉索，主梁截面采用Midas梁单元截面库中提供的波形钢腹板箱梁截面，通过输入箱梁内外侧几何参数、波形尺寸即可建立波形钢腹板组合箱梁模型，采用平钢腹板代替波形钢腹板，波形钢腹板的褶皱效应由程序内部通过刚度等效来考虑[1-5]。

对于边跨和1/2边中跨范围内的结构采用Midas/Fea进行实体精细化建模，其余五塔及相关主梁采用空间梁单元模拟并形成子结构。由于主梁顶、底板及钢腹板厚度不同，顶、底板混凝土结构采用三维实体单元，波形钢腹板厚度为18 mm，实体模型中采用板壳单元进行模拟，主塔采用空间梁单元进行模拟，斜拉索仍然采用桁架单元。在实体仿真模型中，共有7 375个实体单元，5 834个板壳单元，全桥共计17 841个节点，计算耗时2 537 s。在实体有限元模型中钢腹板与顶、底板采用共节点进行连接，桁架单元斜拉索与主塔及钢锚箱采用刚臂进行连接，实体有限元分析模型如图2所示。

a)全桥有限元模型 b)边跨及1/2边中跨实体模型图2 实体有限元模型

2 静载试验

2.1测点布置及加载工况

主梁应变测试截面布置如图3所示, 其中主梁8个截面，桥塔1个截面。在1-1截面钢腹板表面进行应变花布置，主要测试钢腹板剪力。同时，为测试主梁在中载及偏载情况下钢腹板受力，在2-2断面6道钢腹板表面布置应变片(沿钢腹板高度1 000、1 500、2 500 mm处)。除2-2断面外，主梁应力测点布置在每个箱室顶、底板中间位置，即顶底板各5个应变测点。大桥共分为12个加载工况，主要的试验加载工况及加载效率如表1所示。

图3 主要测试断面布置图及应力测点布置图

2.2试验内容及测试方法

桥梁静载试验主要通过测量结构在静力荷载作用下各截面的结构变形(主梁挠度、梁端转角、支座变形)和应力，从而确定桥梁结构实际工作状态与设计期望是否相符。桥梁的静力试验活载内力与设计活载内力之比为0.85～1.05，试验荷载采用内力等效原则计算，经计算，需用30辆30 t加载车。

静载试验测试内容包括：斜拉索索力测试，主梁、主塔应力测试，主梁变形和主塔偏位测试及结构裂纹观测。另外，考虑该桥特有的波形钢腹板截面、单索面体系，表1中工况2、3重点测试主梁正应力的分布状况及横截面在偏载下的扭转变形情况。表3中除工况3为偏心加载外,其余工况皆为对称加载。

表1 大桥静载试验测试工况及加载效率

由于该桥斜拉索为平行钢绞线斜拉索，索力测试采用磁通量法，即利用施工监控阶段安装在斜拉索上的磁通量传感器进行测试，通过测试得到单根钢绞线的索力进而换算得到整根斜拉索索力。

该桥主梁为组合梁，腹板为波纹钢腹板，顶、底板为混凝土结构，钢腹板与混凝土板共同受力，主塔为混凝土结构；静载试验时，采用电测法测试应变，然后通过应变换算为应力。

主梁竖向位移测试截面为每跨的4分点，上、下游对称布置，主塔在每个塔顶布置一位移测点。采用高精度数字式桥梁挠度测试仪测量主梁位移，采用全站仪测量主塔位移。

利用施工监控过程中布置的温度传感器进行温度监测。通过温度测试，可以对索力、应力和线形进行修正，使结构在同一温度下进行实际状态与理想状态的比较。

2.3测试结果分析

2.3.1 一般工况

依据上述方法，按照文献[6]，在气温相对稳定的时候，对大桥进行荷载试验，限于篇幅，本文仅给出部分测试数据，如表2、3所示。

表2 工况6作用下主梁理论挠度与实测挠度 单位:mm

表3 工况6作用下主梁5-5截面应变分析

篇幅有限，本文仅给出工况1～5部分测试数据，挠度、索力及应力校验系数如图4～6所示。

图4 主要工况挠度校验系数 图5 主要工况索力校验系数

图6 主要工况应力校验系数

通过表1～3及图4、5可知，本次试验所选的测试断面均为大桥运营过程中受力控制断面，静载试验加载效率为0.85～1.02，满足文献[6]要求。试验实测数据均小于理论值(在荷载试验建模计算时未考虑桥塔普通钢筋、桥面铺装以及护栏的影响)，其中挠度校验系数为0.54～0.76，索力校验系数为0.62～0.80，主梁应力校验系数为0.44～0.80，各工况卸载后结构残余应变及残余变形均较小，均在文献[6]规定的20%范围内，说明结构产生的变形能够得到恢复，处于弹性工作状态。静载试验表明:大桥主梁变形、结构应力、斜拉索索力及主塔偏位等参数满足要求。

2.3.2 重点工况

由于该桥主梁为单箱五室波形钢腹板单索面斜拉桥体，本次荷载试验将工况2、3作为为重点工况，对实际使用时此桥的正应力分布情况及箱梁扭转程度进行分析。本文分析时引入剪力滞系数，其中理论剪力滞系数为实体计算应力与杆系计算应力的比，实测剪力滞系数为实测计算应力与实测平均计算应力的比[7-8]。

依据计算结果，工况2共需要20辆30 t的加载车，通过桥面中央分隔带在上下游桥面对称布置。工况3共需要10辆30 t的加载车，加载轮位纵向布置图与工况2一致，横向布置采用一侧偏载(仅在下游桥面布载)。

表4、5为工况2加载时2-2截面实测应力与理论应力分析表。由表4、5可以看出：实测应力均小于理论计算应力，实体模型计算应力略偏大于杆系计算应力(杆系单元计算时完全忽略钢腹板的抗弯作用)。顶板、底板应力分布较均匀，顶、底板理论剪力滞系数为0.92～1.13，实测剪力滞系数为0.88～1.10，剪力滞效应不明显。由于该桥主梁为单箱五室，文献[9]表明，随着主梁箱梁室数的增加，主梁顶、底板剪力滞系数逐渐不明显。

表4 工况2顶板测点实测应力、计算应力及剪力滞系数

表5 工况2底板应力测点实测值与计算值及剪力滞系数

图7 工况2加载钢腹板正应力沿腹板高度分布图

在工况2加载时，波纹钢腹板正应力沿梁高分布如图7所示。由图7可以看出：在工况2下，上游腹板3正应变为(2～3)×10-6，由于仪器测试精度及钢腹板正应变较小等因素的影响，其余5道钢腹板正应变为(-4～4)×10-6，验证了波形钢腹板所具有的“手风琴”效应，即其主要承受剪力，基本不承受弯矩[10-15]。

工况3作用下主梁实测应力与理论应力如表6所示。由表6可知，偏心荷载作用下，荷载作用一侧的顶板应力略大于无荷载作用的一侧。梁底板应力分布较均匀，偏载作用对应力分布影响较小。

工况3下主梁计算挠度与实测挠度见表7。由表7可见：在偏心荷载作用下加载侧主梁挠度明显大于未加载侧，主梁2-2断面计算偏载系数为1.48，实测偏载系数为1.40，实测横向偏载增大系数与理论计算结果较接近，偏载效应比较明显，这与本桥单索面结构特点有关[16]。

表6 工况3顶、底板测点实测应力与计算应力

表7 工况3主梁计算挠度与实测挠度 mm

3 动载试验

动力荷载试验内容包括有限元计算、自振特性测试、汽车无障碍行车试验、汽车原地跳车试验。动载试验设备主要包括891-Ⅳ型低频传感器、891放大器、动态应变仪、INV智能信号自动采集处理和分析系统等。通过动载试验了解桥梁结构的动力特性(振型、阻尼、自振频率)是否满足规范要求[17-18]，鉴于篇幅有限，本文仅给出部分测试结果。

3.1冲击系数

表8 不同车速跑车试验实测动应变冲击系数

表8为大桥不同车速跑车试验时实测冲击系数，图8为跑车试验动应变时程曲线。实测最大动应变冲击系数值为0.04，平均值为0.03，实测大桥通航孔桥竖向一阶频率为1.099 Hz，该桥设计冲击系数取值为0.05。实测冲击系数均小于设计冲击系数，符合规范要求。

3.2自振特性

图8 40 km/h跑车试验动应变时程曲线

自振特性测试是在假设环境激励为平稳的各态历经基础上进行的，认为在桥梁振动的中低频段内，环境振动的激励谱比较平坦，桥梁各阶的模态阻尼较小，模态之间的耦合可以忽略。在环境激励频率与桥梁自振频率一致或接近时，由于共振，桥梁容易吸收环境激励能量，使振幅增大。本文通过模态试验分析方法进行分析[19-21]。通过对大桥各测点采集到的脉动信号进行剪切、滤波、加窗、细化等处理，经频域和时域分析，得到梁体竖向低阶弯曲振动频率及相应振型、阻尼比，如表9所示，一阶振型如图9所示，主要测点脉动时程曲线、功率谱图如图10、11所示。

表9 自振特性测试结果

图9 大桥1阶振型图

图10 主梁典型竖向测点脉动时程曲线

图11 主梁典型竖向测点功率谱图

大桥的实测一阶竖向对称弯曲振动频率为1.099 Hz，理论计算频率为0.997 Hz，实测频率大于计算频率，说明实桥的竖向动力刚度满足要求。而通常大跨度普通斜拉桥的自振频率小于0.20 Hz，说明该桥的一阶自振周期更接近连续梁(刚构桥)的特性，主要是由于主梁、主塔及拉索提供了较大的刚度。

4 结论

1)在加载试验荷载作用下，实测主梁竖向变形、拉索索力、塔顶偏位及主梁应力均小于理论计算值，满足相关规范和设计要求，桥梁结构性能良好。

2)尽管该桥顶板宽为36.8 m，但由于采用单箱5室结构，在试验荷载作用下，主梁顶、底板分布较均匀，剪力滞效应不明显，表明增加箱梁的室数量可以相应减少箱梁的顶、底板剪力滞。

3)通过波纹钢腹板的实测应力可知，腹板沿高度方向正应力较小，表明其弯曲变形引起的正截面效应较小，验证了波形钢腹板具有“手风琴”效应，即主要承受剪力作用，基本不承受弯矩。

4)在偏心荷载作用下，跨中理论计算偏载系数为1.48，实测偏载系数为1.40，实测横向偏载增大系数与理论计算结果较为接近。由于本桥采用单索面结构，偏载效应比较明显。

5)大桥的实测一阶竖向对称弯曲振动频率为1.099 Hz，小于理论值(0.997 Hz)，而通常大跨度斜拉桥的自振频率小于0.2 Hz，说明该桥的一阶自振周期更接近连续梁的特性，这是由于主梁、主塔及拉索提供了较大的刚度。大桥实测冲击系数小于理论计算值，在桥梁运营期应保持桥面平顺，减少行车荷载对桥梁的冲击作用。

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(责任编辑：郎伟锋)

ExperimentalResearchonLoadingTestofMulti-TowerSinglePlaneCable-StayedBridgewithCorrugatedSteelWebs

LUYi1,ZHANGRuogang2

(1.ConstructionProjectServiceCenterofWuhanEconomicDevelopmentZone,Wuhan430052,China; 2.ZhongnanSafetyEnvironmentalTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430052,China)

In order to examine the actual stress performance of the singe plane cable-stayed bridge with corrugated steel webs in its own dead load and design use load, the 3-D finite element simulation model of the whole bridge is established on the background of the loading test of a multi-tower singe plane cable-stayed bridge with corrugated steel webs. This paper describes the content and method of the loading test and also studies the static and dynamic performance of the bridge. According to the characteristics of the single cable plane system and the corrugated steel web with the single-box girder five-cells, the paper mainly analyzes the distribution of positive stress, shear lag effect and box girder torsion degree. The test data show that the parameters such as the bridge girder deflection, stress, cable force and main tower deviation meet the specification requirements.

multi-tower singe plane cable-stayed bridge; corrugated steel web; loading test; finite element

2016-11-20

卢义(1983—)，男，长沙人，工程师，主要研究方向为工程项目管理，E-mail：85354945@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.02.007

U448.271.2

：A

：1672-0032(2017)02-0040-09