吊拉组合桥梁荷载试验研究

1、.吊拉组合桥梁荷载试验研究第17卷第4期2005年12月甘肃科学JournalofGansuSciencesVo1.17No.4Dec.2005吊拉组合桥梁荷载试验研究靳国胜(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)摘要:简要介绍了国内第一座吊拉组合体系桥梁的荷栽试验,并结合理论计算,对该桥主梁应力与挠度,主塔的应力与变位等静力特性,动力特性进行了对比分析,验证了设计理论可供同类型桥梁的设计和试验研究借鉴.关键词:荷载试验;斜拉悬吊协作体系;P.F.C中图分类号:U448.216文献标识码:A文章编号:10040366(2005)04010304AStudyontheLoadingTe

2、stonCablestayedSuspensionBridgeJINGuosheng(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:TheloadingtestforthefirstcablestayedsuspensionbridgebuiltinChinaisbrieflyintroduced.Comparedwiththetheoreticcalculation,thestaticanddynamicpropertiessuchasthestressesofthestiffe

3、ninggirderandbridgetowers,thedisplacementofthegirderandtowers,areanalysed.Theresulthasprovedthedesigntheoryandcanbeusedforreferenceforotherbridgesofthesametype.Keywords:loadingtest;cablestayedsuspensionbridge;P.F.C贵遵公路乌江大桥位于贵州乌江镇,是目前世界上第1座已投入使用的P.F.C吊拉组合桥.桥跨布置为:6m+2×60m(斜拉体系)+168m(悬吊体系)+2×

4、60m(斜拉体系)+6m,主跨288m,全桥长461.6m.桥面组成:10m(车行道)+2×1.0m(人行道)+2x0.3m(防撞护墙)=12.6m.加劲梁采用预应力钢筋,钢丝网,钢纤维混凝土薄壁箱梁.梁高2.4m,顶宽14.5m,底宽5.5m.悬索体系采用19束127丝5低松弛平行钢丝束,全桥2根主缆.垂跨比1/10.吊索采用竖直吊杆,每吊点设1根865低松弛平行钢丝束吊杆,吊索距6m.斜拉索体系索距6m,每根斜拉索采用19柬75低松弛钢饺线,钢铰线外保PE+PU双层彩色护套,单柬张拉.索塔高60m.主缆锚固采用预应力岩锚.设计荷载标准为:汽车一超20,挂车一120ch纠.1静载试

5、验简介1.1测试截面及测点布置测试截面及应力测点布置见图1,图2.1.2试验荷载工况工况1对截面正弯矩对称加载.测量截面应力,塔顶变位及支座位移,加劲梁挠度,A截面66nl288m66mj.一.1.9E一甲'叩甲V8CD收稿日期;2004一l128图1测试截面及位移测点布置塔顶位移测点e支座水平位移测点主梁挠度测点104甘肃科学2005年第4期上游侧123456789下游侧/,1ql921D日2O22D口口/图2应力测点布王表示单片测点两侧共5对斜拉索索力.工况2对B截面正弯矩对称加载.测量B,D截面应力,塔顶变位及支座位移,加劲梁挠度,主塔E截面应力.测量B截面附近6对吊索索力及1对

6、斜拉索索力.工况3对B截面正弯矩偏心加载.测量B,D截面应力,塔顶变位及支座位移,加劲梁挠度,主塔E截面应力.测量B截面附近6对吊索索力及1对斜拉索索力.工况4对C截面正弯矩对称加载.测量C截面应力加劲梁挠度,塔顶变位及支座位移,主塔E截面应力.工况5对D截面正弯矩对称加载.测量D,B截面应力,塔顶变位及支座位移,加劲梁挠度,主塔E截面应力.测量D截面附近6对吊索索力及1对斜拉索索力.工况6对桥面板局部加载.对B截面桥面板局部加载,测量桥面板局部应力.2静载试验结果及分析理论分析采用通用有限元软件对全桥建立空间模型.其中梁,塔采用非线性空间梁元模拟,主缆采用非线性悬索单元模拟,吊杆采用非线性杆

7、元,斜拉索采用计入垂度效应的非线性杆元模拟.2.1加劲梁应力工况1下边跨A截面实测应力除一点外均小于计算值,结构受力较正常.工况2作用下中跨BB截面上游侧斜底板测点实测应力较大,2次加载重复性较好,可能是局部较薄弱.12号测点实测平均拉应力为6.77MPa,而该点的计算拉应力为4.67MPa,表明实际应力已超过计算值,该点处于较高的拉应力状态,受力不利.工况3对中跨BB截面偏心加载,计算偏载系数为1.11.该工况实测数据反映出同对称加载同样的规律性.上游侧斜底板受力较为不利.工况4对中跨跨中CC截面对称加载,上游侧斜底板12号测点最大应力5.58MPa,较BB截面对应测点应力有较大幅度的降低,

8、同时,该截面各对应测点实测值与计算值符合较好,表明该截面受力较BB截面有利.工况5对中跨D-D截面对称加载,该截面各测点实测应力与BB截面相比,分布均匀,除中性轴附近的1O号测点及下游斜底板15号测点应力较计算值稍高外,其他测点应力均不大于理论计算值,结构校验系数处于正常范围.表明该截面受力较BB截面有利.对称荷载作用下,顶板受力比较均匀,剪滞效应较小.在试验荷载作用下,截面顶板受力比较均匀,剪滞效应不明显,测点结构校验系数均小于1,在文献1O中规定的校验系数常值范围内.2次加载实测各测点应变相差较小,表明结构处于弹性工作状态.工况6桥面板局部加载计算结果显示5号测点(顶板中间)应力最大:顺桥

9、向0.36MPa,横桥向1.11MPa,校验系数为0.80.试验过程中未发现顶板出现开裂现象.2.2裂缝观测每工况加载时均对加载截面进行了裂纹观测,试验荷载作用下箱梁各测试截面未发现裂缝产生.2.3索塔应力各测点实测应力小于理论计算值,结构校验系数处于正常范围.最不利工况下塔柱全截面处于受压状态,最大压应力远小于材料抗压设计强度.测点残余应变较小,索塔基本处于弹性工作状态.2.4加劲梁挠度实测加劲梁挠度见图3.实测挠度分布规律与理论分析结果一致.测点结构校验系数除个别测点外,绝大部分小于1.o0,实测残余变形较小,结构处于良好的弹性工作状态.2.S支座位移和塔顶变位该桥为悬浮体系,索塔处加劲梁

10、未设支座.实测支座水平位移均较小,与计算值偏差较大,但各支座位移规律与理论计算结果相吻合,对比工况支座位第17卷靳国胜:吊拉组合桥梁荷载试验研究105图3工况4加劲粱实攫4挠度与理论挠度口上游实测值下游实测值计算值移的重复性良好.说明支座处于正常工作状态.塔顶位移实测值与计算值相对接近,各工况实测残余变位均较小,表明支座摩阻对塔顶位移有影响,但影响不很显着,与计算规律相吻合.2.6索力斜拉索及吊索活载索力见表1,2(斜拉索从索塔处向跨中依次编号为N1,N2N10,吊索从吊拉组合区向跨中依次编号为D1,D2).拉索索力增量实测值比理论计算值略大,但趋势一致.活载索力增量与恒载索力的比值均较小,最

11、大为13.8%(N5索下游).工况2下,索力的活载增量较小,活载幅最大的为上游D4吊索,索力为79.2kN,吊索索力实测值与理论计算值趋势一致,数值有一些差异.可见在试验荷载作用下,拉索和吊杆内应力数值表1工况1部分斜拉索的索力单位:kND1565.9D2595.6D3619.0D4606.913.617.450.379.2572.4624.8629.0606.9565.9648.5680.3675.46.523.751.368.5变化均较小.3动载试验动载试验包括脉动试验和强迫振动试验2部分,主要测试全桥的动力特性,对桥梁的承载能力和运营状况做合理评估.3.1脉动测试结果该桥为漂浮体系,横向

12、约束较弱,主梁横向一阶频率较低,实测值为0.195Hz,阻尼为5.1,振型为横向漂浮振动,体现了悬索桥的振动特性;竖向一阶频率为0.352Hz,阻尼为4.2,振型以主梁一阶竖向对称弯曲振动为主,边跨扭转振动为辅,体现了斜拉桥的振动特性,悬索桥一阶竖向振动一般为反对称的;全桥扭转一阶频率为1.328Hz.另外,从实测前几阶振型图可看出该桥悬吊部分的刚度较斜拉部分的刚度弱,体现出斜拉和悬吊混合桥梁的特点.3.2强迫振动试验结果跑车各车速下竖向振幅,低速时随车速变化不明显,高速时随车速升高呈增大趋势,且2边跨测点振幅比同车速下中跨吊索区段测点振幅略小.跑车竖向振幅最大值为0.93mm,车速为75km

13、/h,发生在中跨跨中.横桥向振幅较小,最大值为0.35mm,车速为62km/h,发生在斜拉索与吊索交界处.跨中顺桥向最大值为0.35mm,车速为75km/h.中跨竖106甘肃科学2005年第4期表3实测桥梁动力特性向各测试点的响应功率谱的峰值点的频率为0.352Hz,边跨峰值点的频率为1.621,分别与主梁竖向第一阶和第5阶固有频率接近;中跨跨中横桥向测点的响应功率谱的峰值点的频率为0.195Hz,与脉动横桥向第一阶频率相同,可见主梁的竖向响应为竖向挠曲与竖向受迫振动的叠加.横桥向响应为横向准静态摆动和横向受迫振动的叠加.刹车工况中距主塔90m处的竖向振幅最大,其值为0.59mm,比同车速下跑

14、车的振幅大84,其余测点振幅与同车速跑车振幅相比变化不明显;横桥向最大振幅为0.23mm,跨中顺桥向振幅为0,12,与同车速跑车振幅相比,横桥向增大较多,但刹车两方向的最大振幅均小于最高车速的跑车振幅.顺桥向变化不明显.2次行进跳车的竖向振幅平均值最大为0.77him,发生在距主塔90m处;2次跳车的横桥向振幅平均值最大为0.42film,发生在中跨跨中;跨中顺桥向平均值为0.17mm.原地跳车两次竖向振幅平均值最大为0.92mm,发生在距主塔90m处;两次跳车的横桥向振幅平均值最大为0.15mm,发生在中跨跨中;跨中顺桥向振幅为0.09mm.可见跳车使桥梁竖向和横桥向响应较大,比同车速跑车振

15、幅有明显增加,所以在桥梁运营期间应注意保持桥面平整,维护桥面铺装层.该桥刹车和跳车均在中跨跨中进行,而最大竖向振幅却发生在距主塔90mm处,这体现了悬索桥的振动特性,因为同在跨中刹车或跳车,斜拉桥最大竖向振幅一般发生在跨中.4结语对该吊拉组合桥进行荷载试验,测试结果表明现阶段桥梁整体结构在经过几年通车运营后受力尚处于正常状态,结构整体上处于弹性工作状况,满足了设计荷载安全运营需要,同时也验证了该种桥梁体系的设计理论,为同类桥梁的设计和科研提供参考.但由于本桥跨度不大,不足以完全反映大跨度斜拉一悬索结构的受力性能4,因此对此种结构体系有待于作更进一步的深入研究.参考文献:1蒙云,刘东,孙淑红,等.大跨度P.F.C吊拉组合桥设计研究J.重庆交通学院,1999,18(4):8-12.2孙淑红,蒙云.吊拉组合体系预应力连续加劲粱性能分析D.重庆交通学院,l999,18(4):3039.3肖汝诚,项海帆.斜拉一悬吊协作体系桥力学特性及其经济性能研究J.中国公路,1999,12(3):4349.4周念先.斜张一悬索协作桥口.江苏交通工程,1997,2:47.5张小林.振动频谱法在索力测试中的应用口.甘肃科学,2003,15(3):100104.6刘东,蒙云.乌江P.P.c(吊拉组合桥施工工艺研究口.重庆交通学院,1999,18(4):96102.7包龙生,扬炳成,于玲.吊拉组合车桥的