英德北江三桥成桥荷载试验与分析

广东公路交通

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Vol郾44No郾5Oct郾2018

文章编号:1671-7619(2018)05-0042-07

英德北江三桥成桥荷载试验与分析

陈摇兵,曾汉辉,袁彬红,陈东亮

(广东华路交通科技有限公司,广州510420)

摘要:通过成桥荷载试验对英德北江三桥的实际使用状态和承载能力进行分析,具体工作包括有限元分析、静载试验、动载试验、成桥索力测试。荷载试验结果显示,该桥的承载能力及动力特性均满足设计要求。关键词:单塔斜拉桥;静载试验;动载试验

中图分类号:U446.1摇摇摇文献标志码:B

0摇引言

主梁断面尺寸:顶板全宽30.8m,底宽10.0m,挑臂长4.0m,梁高3.5m。鉴于采用单索面体系,中腹板厚度取0.4m,边腹板厚度取0.25m;边箱跨度8.0m,边箱顶板厚0.27m;中箱为拉索锚固箱,顶板厚0.4m,底板厚0.3m;悬臂板厚0.2~0.5m。箱梁的典型截面如图2。

实承载能力的最直接手段[1],目前在桥梁检测行业中已经被广泛运用。一般而言,成桥荷载试验可分为静载试验[2]和动载试验[3],其原理是:对桥梁结构输入已知荷载(静力荷载或动力荷载),通过各类传感器识别桥梁的结构响应(包括应力、应变、挠度、索力、冲击系数、环境振动等),经过数据处理获得桥梁的强度、刚度信息及自振特性。成桥荷载试验通常用于评价桥梁的使用、受力状态和设计要求是否相符,为运营养护相关决策提供依据。

本文以英德北江三桥作为工程背景,介绍了成桥荷载试验的工作内容,并通过试验结果对该桥梁的受力状态进行分析和评价。

英德北江三桥为单塔中央单索面预应力混凝

成桥荷载试验是评估桥梁实际使用状态和真

图2摇箱梁典型截面(单位:cm)

主塔为独柱型,桥面以上高84m,上塔柱(拉索锚固段)采用矩形空心断面,断面尺寸为400cm(横桥向)伊700cm(顺桥向);下塔柱采用2个分离的实心混凝土柱,每个柱尺寸为350cm(横桥向)伊290cm(顺桥向),两个柱之间采用竖向以4.1m间距布置的系梁连接。主塔构造如图3。斜拉索采用低应力2.0m;塔上竖向标准索距为1.6m,横向0.8m。平行热镀锌钢丝拉索,梁上纵向索距6m,横向

1摇工程概况

土斜拉桥,是连接英德市和广州市的重要通道,全桥长320m,跨径组合为160m+160m,墩、塔、梁固结体系,主桥立面如图1。主梁采用单箱三室箱形断面,按横竖纵三向预应力设计。

图1摇主桥立面(单位:cm)图3摇主塔构造(单位:cm)

作者简介:陈兵(1992-),男,硕士研究生,助理工程师,从事桥梁检测、试验工作,E-mail:616678276@qq.com。

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2018年第5期陈兵,等:英德北江三桥成桥荷载试验与分析总第158期

2摇有限元分析

置施加静力荷载,测试结构的静力应变、静力位移、裂缝发展、拉索索力变化等项目[4],从而推断3.1摇工况布置

桥梁在静力荷载作用下的使用状态和承载能力。

进行荷载试验前,通过Midas/Civil建立了桥

梁结构有限元模型,建模效果如图4。通过有限元分析计算得到荷载试验中各检测参数的理论值,作为试验过程中的控制指标以及试验结论的评判依据。

综合考虑英德北江三桥的受力特征和变形特

点,进行如下工况布置,具体见图5和表1。

图4摇Midas/Civil有限元模型

3摇静载试验

图5摇试验工况布置(单位:cm)

利用内力或变形等效原理,在桥梁的特定位

表1摇静载试验截面位置

工况编号工况1工况2工况3工况4工况5

工况说明21#孔最大正弯矩工况21#孔最大竖向位移工况21#塔最大弯矩工况21#塔塔顶最大纵向位移工况21#墩顶箱梁根部最大负弯矩工况

测试截面A-AB-BD-DE-EC-C

测试项目应变、裂缝挠度、索力、裂缝应变、裂缝位移、裂缝应变、裂缝

3.2摇加载布置及荷载效率

全卸载。

表3摇各工况下荷载效率(B)试验值/mm

工况2工况4

-102.653.7

理论值/mm-107.955.6

荷载效率0.950.97

参考设计加载方式,静载试验采用36辆载

重汽车(每辆重300kN)进行横向偏载加载,通过加载方案设计,能够实现一种加载布置下同时进行工况1~5的相关项目测试。汽车载位布置见图6。

表2摇各工况下荷载效率(A)(kN·m)

工况1工况3工况5

66840101147-34116试验值/

(kN·m)71687107010-35763理论值/

荷载效率0.930.950.95

3.3摇试验结果

3.3.1摇挠度分析

现场挠度观测采用精密电子水准仪进行,主

梁上挠度测点的布置见图7。选择稳定的高程控制基准点进行闭合水准路线量测,可得到静力荷载作用下各测点的实测挠度变形值,如表4所示;同时可得到各测点挠度实测值与理论值对比曲线分析,如图8~图11所示。

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各工况对应的试验荷载效率见表2和表3。根据规范要求,加载过程分为4级,卸载为1级完

2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第158期

图6摇汽车载位(单位:cm)

图7摇挠度测点布置(单位:cm)

表4摇各级荷载作用下B-B截面各测点挠度摇摇(单位:mm)

工况/挠度测点21#孔最大

ML5R5L5

1级加载-33.7-29.4-30.1-26.1

2级加载-49.4-44.0-42.0-36.5

3级加载-76.0-72.5-71.1-67.7

4级加载-90.3-88.6-88.0-86.5

卸载-7.5-7.3-7.2-7.4

弹性变形-82.8-81.3-80.8-79.1

相对残余变形/(%)

8.38.28.28.6

竖向位移工况

MR5

图8摇左幅桥满载作用下挠度理论值与实测值对比

图11摇B-B截面各测点挠度变形横向对比

可以看到,B-B截面在试验荷载下的理论挠度值为-102.6mm,实测平均值为-81.0mm,校验

图9摇右幅桥满载作用下挠度理论值与实测值对比

1.00。满载作用下,全桥各测点的挠度变形均小于理论值,说明桥梁整体刚度满足设计要求。

卸载后,桥孔相对残余变形为8.2%~8.6%,符合《试验规程》的要求值小于等于20%。另外可以看出,最不利偏载(2级加载)作用下,跨中偏载侧挠度为-49.4mm,桥梁平均挠度为-43.0mm,2级荷载作用下实测偏载系数为1.15。

系数为0.79,符合《试验规程》的要求值0.70~

图10摇B-B截面挠度实测值(平均)与理论值对比

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3.3.2摇应变分析

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现场应变观测采用振弦式应变计进行。以21#塔根部D-D截面应变测量为例,截面应变测点布置如图12所示,测试在各级荷载作用下截面的应变变化与恢复情况。D-D截面的应变实测平均值与理论值对比见表5,截面整体应变如图13。

图12摇D-D截面应变测点平面布置(单位:cm)

表5摇D-D截面应变理论值与实测平均值对比摇摇(单位:滋着)

距截面受拉侧距离/cm

65062558032570250

1级加载-18-15-16-7989

2级加载-28-26-25-8131416

3级加载-44-39-40-12232529

4级加载-53-45-47-14313135

卸载-6-6-7-3644

弹性应变-46-39-41-11252730

理论值-64-60-52-8364448

校验系数0.72----0.63-

摇摇注:表中正值为拉应变,负值为压应变。

3.3.3摇裂缝监测

试验过程中,在桥梁上选取典型位置的典型

裂缝,跨缝布置振弦式应变计,对静载试验过程中混凝土表面裂缝的发展情况进行裂缝监测。以主塔21-2#节段表面选取的1条典型裂缝为例,裂缝示意图见图14,裂缝监测结果见表6。

图13摇D-D截面应变分析

论值为48滋着,校验系数为0.63,符合《试验规程》

-D截面受拉侧边缘的应变实测平均值为30滋着,理-D截面应变呈近似直线分布,基本符合平截面假

图14摇主塔21-2#节段裂缝监测

通过表5可以看出,满载(4级加载)作用下D

的要求值0.60~0.90。通过二次拟合可以发现,D定。卸载后各测点相对残余应变在9.8%~

15.6%之间,符合《试验规程》的要求值小于等于20%。

表6摇裂缝宽度监测数据

裂缝编号DL1

部位主塔21-2#节段

(宽度/长度)/(mm/cm)0.14/250

初读/mm

1级

加载/mm0.000

加载/mm0.001

2级

加载/mm0.002

3级

加载/mm0.002

4级

卸载/mm

0.0000.002

摇摇注:裂缝宽度变化值正值表示裂缝宽度增大,负值表示裂缝宽度减小。

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2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇3.3.4摇索力变化测量

对静载试验前后斜拉索的索力变化情况进行

摇摇摇摇总第158期

测量,并与理论值进行对比,从而判断斜拉桥的受力状况是否与设计相符。图15和表7表示各级试验荷载作用下21-21R、21-21L斜拉索的索力变化情况,可以看出,斜拉索在试验过程中的索力变化与理论设计值相符合。

图15摇21-21L、21-21R试验过程索力变化曲线

表7摇试验过程索力测试结果摇摇(单位:kN)

部位21-21#

拉索编号21-21R21-21L理论值

初读000

1级加载865987

2级加载141134130

3级加载206194217

4级加载258257261

卸载-110-1

斜拉索

4摇动载试验

横向测点;纵向测点布置于左幅桥两端和桥塔处,共计5个纵向测点。全桥共计34个测点,具体见图17。

桥梁的动力特性(频率、振型和阻尼比)是评

定桥梁整体受力状态的重要参数,而在外界动力荷载作用下,桥梁的动力响应,如冲击系数、速度、加速度、振幅和频率等[5][6],则反映了结构在动载4.1摇脉动试验

作用下的真实受力状态。

(或速度、位移传感器)识别获取桥梁在外部环境激励作用下的振动信号,将采集到的信号经过降噪滤波处理后通过DASP系统进行分析,最终可得到桥梁的阻尼比、频率、振型等动力特征。脉动试验测试系统如图16。

图17摇脉动试验测点布置(单位:cm)

脉动试验的工作原理为:利用加速度传感器

经过数据处理,确定斜拉桥竖向一阶正对称

图16摇脉动试验测试系统

为了能够较准确地识别出桥梁振动的频率和对应的振型,需要根据桥梁结构形式合理选择竖向与横向加速度传感器的布置位置。本次试验竖向测点布置于左右幅桥桥面,共计16个竖向测点;横向测点布置于左幅桥桥面和桥塔处,共计13个

0.340Hz。表8列出了典型振形所对应的实测频率值与理论频率值的对比,可见实测频率值均高于理论频率值,说明桥梁的实际刚度比设计刚度大。实测振形与理论振型对比见图18~图21,可以看到实测振型和理论振型吻合程度很高,桥梁的动力特征基本符合设计要求。

频率为0.378Hz,而理论竖向一阶正对称频率为

表8摇桥梁动力特征实测值与理论值对比

模态描述

1234

主梁竖向一阶弯曲(反对称弯曲)主梁竖向二阶弯曲(对称弯曲)

主梁一阶扭转主塔一阶横向弯曲

理论频率/Hz

0.3400.3900.758-实测频率/Hz

0.3780.4750.7941.358

阻尼比/(%)

3.4520.9810.7491.736

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2018年第5期陈兵,等:英德北江三桥成桥荷载试验与分析

总第158期

图18摇主梁竖向一阶弯曲(反对称弯曲)

实测振型(f=0.475Hz)

图19摇主梁竖向一阶弯曲(反对称弯曲)

理论振型(f=0.390Hz)

图20摇主梁竖向二阶弯曲(对称弯曲)

实测振型(f=0.794Hz)

图21摇主梁竖向二阶弯曲(对称弯曲)

理论振型(f=0.758Hz)

4.2摇通过跑车试验跑车试验

(分为无障碍行车试验、有障碍

行车试验)测量桥梁在车辆动力荷载作用下的受迫振动特性,并测量其冲击系数。

桥面平顺、无任何障碍情况下的跑车试验称为无障碍行车试验;而有障碍跑车试验则需要通过在桥面上设置部分减速带作为障碍物,其余测试内INV1861A(4)容和无障碍行车试验相同。本试验通过底板动应变和静应变型应变调理器测量,并计算冲击系数21#孔A-A截面,具体结果见表9。

表9摇动载试验结果

序号工况

静应动应冲击变/滋着变/滋着系数12

10km20km/h无障碍行车-35.-35.30km/h无障碍行车-38.2-38.50.340km/h无障碍行车-38.3-38.90.01450km/h无障碍行车-38.1-39.70.02560km/h无障碍行车-34.3-35.70.02610km/h无障碍行车-37.0-39.40.0470.04820km/h有障碍行车-37.630km/h有障碍行车-33.3-39.40.0540km//hh有障碍行车有障碍行车

-35.5-35.30.05109

-34.17

-38.8-38.12

0.070.0810

由表9可以看出,10~60km/h无障碍行车实测冲击系数在0.01~0.05之间,10~40km/h有障5摇碍行车实测冲击系数在成桥索力测试

0.05~0.10之间。

在拆卸外置减振器且温度较为恒定的条件

下,对全桥92根斜拉索进行成桥索力测试,检验成桥索力与设计成桥索力是否相符,作为成桥内力

的参考。

本次索力测量采用频率法对全桥92根斜拉索22。的振动频率进行测量频率与索力之间的换算关系,索力测试的典型频谱见图

[7]T=4籽L2n2f-n2L2

2EI:

n2其中,T—索力;籽—索的线密度;L—索的计算

长度;fEI—索的抗弯刚度n—索的第n。

阶自振频率;n—振动阶数;

图22摇21-9L斜拉索试验前频谱

根据上述公式,通过信号处理分析获得前五阶自振频率值,按每一阶自振频率计算索力,取平均值作为最终索力。将实测索力与设计索力进行

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2018年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇对比,见图23~图24。本桥共有斜拉索92根,由于篇幅原因只给出23根拉索的测量结果,试验前、后实测索力值与设计值偏差均在5%范围以内。

计相符。

摇摇摇摇总第158期

刚度大于理论刚度,桥梁结构动力特性符合设计要求。

(6)试验前、后实测索力值与设计值偏差均在

(5)实测频率均大于理论频率,表明结构实际

5%范围内。

图23摇21塔英德侧左侧斜拉索索力(荷载试验前)

#

参考文献:

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图24摇21#塔英德侧左侧斜拉索索力(荷载试验后)

14-16.50.

梁检测评估中的应用[J].青岛理工大学学报,2007(1):

6摇结论

拉桥荷载试验与分析[J].广东公路交通,2017(2):46-

均满足《试验规程》的要求,桥梁的强度、刚度性能符合设计要求。

(2)试验卸载后相对残余变位和相对残余应(3)静载试验过程中,所监测的裂缝没有明显(4)静载试验过程中,拉索索力变化情况与设

(1)试验过程中的应变、挠度、位移校验系数

检测[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2001(5):945-949.

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测量系统设计[J].重庆交通大学学报(自然科学版),

(收稿日期:2018-05-19)

LoadTestandAnalysisofthe3rd-bridgeofBeijiangRiverinYingde

(GuangdongHualuTransportTechnologyCo.,Ltd.,Guangzhou510420)

CHENBing,ZENGHanhui,YUANBinghong,CHENDongliang

Abstract:Theactualuseconditionandtherealbearingcapacityofthe3rd-bridgeofBeijiangRiverinYingdeCityhavebeenstudiedthroughloadtest,includingfiniteelementanalysis,staticloadtest,dynamicloadtestandbridgecableforcetest.Theloadtestresultshaveshownthatthebearingcapacityanddynamiccharacteristicsofthebridgecouldmeetthedesignrequirements.

Keywords:single-towercable-stayedbridge;staticloadtest;dynamicloadtest

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