■池毓偉
(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,福州350008)
大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋荷載試驗(yàn)研究
■池毓偉
(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,福州350008)
本文以一座新建的大跨徑某海峽大橋的通航主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋?yàn)槔?,?duì)其荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,在試驗(yàn)荷載作用下,測(cè)試截面的應(yīng)變、撓度的校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余變形均滿足“規(guī)程”要求;橋梁的實(shí)測(cè)自振頻率大于理論計(jì)算值,實(shí)測(cè)振型與理論振型基本一致;沖擊系數(shù)小于理論計(jì)算值;滿足公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。
靜動(dòng)載預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)箱梁試驗(yàn)研究
箱梁結(jié)構(gòu)由于抗彎與抗扭性能優(yōu)越以及施工方便等特點(diǎn),在橋梁建設(shè)中被廣泛采用。目前,橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁承載能力最直接、最有效的方法,荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn),通過(guò)橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)及其對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析研究,判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求,為工程驗(yàn)收質(zhì)量評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持,也為橋梁后期養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。本文以某新建的大跨徑海峽大橋的通航主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋?yàn)楣こ贪咐?,?duì)其荷載進(jìn)行試驗(yàn)研究。
某海峽大橋的通航主橋上部結(jié)構(gòu)為四跨(100+2× 180+100m)變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。通航孔(K43+526.235m~K44+086.235)為雙孔單向航道,代表5000噸級(jí)海輪為標(biāo)準(zhǔn)。橋跨布置為100+2×180+100m,全長(zhǎng)560m。下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。橋面橫向由一個(gè)單箱單室直腹板箱梁組成,箱梁頂板寬17m,底板寬8.5m,兩懸臂長(zhǎng)4.25m。橋面由箱梁中心線向兩側(cè)設(shè)置1.5%雙向橫坡。箱梁根部箱中心梁高11m(高跨比約1/16.36),跨中及邊跨現(xiàn)澆直線段箱中心梁高3.5m(高跨比約1/ 51.43),其間梁底曲線以1.6次拋物線變化。行車(chē)道數(shù)為三車(chē)道。設(shè)計(jì)荷載:公路-Ⅰ級(jí)。詳見(jiàn)圖1~圖2。
圖1 某海峽大橋示意圖
圖2 某海峽大橋通航主橋立面圖(單位:m)
2.1 靜載試驗(yàn)
2.1.1 靜載試驗(yàn)原則
為使靜載試驗(yàn)達(dá)到既定目的,試驗(yàn)按以下原則:
(1)為使荷載試驗(yàn)?zāi)艹浞址从硺蛄航Y(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),靜載試驗(yàn)效率不宜過(guò)小,否則,不能反映出橋梁在設(shè)計(jì)荷載下的工作性能;同時(shí),也不宜過(guò)大,以防結(jié)構(gòu)局部破壞,因此,根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)程”)的規(guī)定,對(duì)交(竣工)驗(yàn)收荷載試驗(yàn)效率控制在0.85~1.05之間。否則,應(yīng)控制在0.95~1.05之間。
(2)靜載試驗(yàn)宜對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、位移和裂縫的控制截面進(jìn)行;按橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確定試驗(yàn)工況及測(cè)試截面。
(3)正式加載試驗(yàn)前,應(yīng)對(duì)加載橋梁進(jìn)行預(yù)加載,使結(jié)構(gòu)狀態(tài)能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。同時(shí)檢查整個(gè)試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)能否正常進(jìn)行。
(4)試驗(yàn)荷載應(yīng)分級(jí)施加,若結(jié)構(gòu)變位或應(yīng)變較大,應(yīng)實(shí)時(shí)繪制測(cè)點(diǎn)變位或應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線,分析結(jié)構(gòu)狀態(tài),確保結(jié)構(gòu)安全。加載級(jí)數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)荷載總量和荷載分級(jí)增量確定,可分成3~5級(jí),當(dāng)橋梁資料不全時(shí),應(yīng)增加分級(jí)。
(5)加載時(shí)間間隔應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)反應(yīng)穩(wěn)定的時(shí)間要求,待前一級(jí)荷載階段內(nèi)結(jié)構(gòu)反應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定后,方可進(jìn)入下一級(jí)荷載試驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行主要控制截面最大內(nèi)力(變形)加載試驗(yàn)時(shí),分級(jí)加載穩(wěn)定時(shí)間不少于5min;對(duì)尚未投入運(yùn)營(yíng)的新橋,首個(gè)工況的分級(jí)加載穩(wěn)定時(shí)間不宜少于15min。
(6)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生下列情況時(shí),應(yīng)立刻停止加載并查找原因,采取措施后再確定是否進(jìn)行試驗(yàn),并在確保結(jié)構(gòu)及人員安全的情況下方可繼續(xù)試驗(yàn)。
①控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)計(jì)算值。②控制測(cè)點(diǎn)變形(撓度)已超過(guò)計(jì)算值。
③結(jié)構(gòu)的裂縫長(zhǎng)度、寬度或數(shù)量明顯增加。④實(shí)測(cè)變形分布規(guī)律異常。
⑤橋體發(fā)出異常響聲或發(fā)生其他異常情況。
2.1.2 有限元計(jì)算模型
采用MIDAS/Civil大型有限元程序計(jì)算軟件建立空間模型,某海峽大橋的通航主橋有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。在設(shè)計(jì)荷載作用下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖4~圖5。
圖3 有限元計(jì)算模型圖
圖4 活載彎矩包絡(luò)圖
圖5 活載剪力包絡(luò)圖
2.1.3 試驗(yàn)工況
選擇測(cè)試截面時(shí),應(yīng)依據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)所得的內(nèi)力包絡(luò)圖,并考慮應(yīng)力分布,按最不利受力原則進(jìn)行選定。依此原則選擇了第44#墩支點(diǎn)負(fù)彎矩(III-III)截面、第45跨跨中最大正彎矩(II-II)截面以及第46跨最大正彎矩(I-I)截面進(jìn)行試驗(yàn)。具體見(jiàn)表1,該橋梁測(cè)試截面如圖6。
表1 靜力試驗(yàn)加載工況一覽表
圖6 測(cè)試截面示意圖(單位:m)
2.1.4 靜載試驗(yàn)效率
經(jīng)計(jì)算分析確定的各工況控制截面,采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil進(jìn)行控制截面內(nèi)力影響線分析,根據(jù)程序計(jì)算所得的設(shè)計(jì)荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的各控制截面處最大彎矩影響線見(jiàn)圖7~圖9。根據(jù)影響線分析結(jié)果進(jìn)行加載,以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的該試驗(yàn)項(xiàng)目的最不利效應(yīng)值等效換算,確定所需的試驗(yàn)荷載、加載車(chē)輛和輪位。本試驗(yàn)橋跨靜載試驗(yàn)共采用12輛三軸重型(340kN)車(chē)輛進(jìn)行等效加載。限于篇幅,僅列出橫橋向中載車(chē)輛加載布置圖(見(jiàn)圖10)。由表2可知靜力荷載試驗(yàn)效率(η)為0.98~1.00,滿足了“規(guī)程”中所規(guī)定的交(竣)工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)0.85≤η≤1.05的限值要求,說(shuō)明靜載試驗(yàn)?zāi)艹浞址从硺蛄航Y(jié)構(gòu)受力性能。
表2 靜力試驗(yàn)荷載效率計(jì)算一覽表
圖7 第46跨最大正彎矩影響線圖
圖8 第45跨中點(diǎn)處彎矩影響線圖
圖9 第44號(hào)墩墩頂處彎矩影響線圖
圖10 橫橋向中載車(chē)輛加載布置示意圖(單位:cm)
2.1.5 測(cè)點(diǎn)布置
I、II、III測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖11~圖13,每個(gè)截面箱內(nèi)布設(shè)14~16個(gè)電阻應(yīng)變片測(cè)點(diǎn),用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測(cè)試;撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)在位于橋面左、右兩側(cè)I-I、II-II截面(見(jiàn)圖14),用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量。
圖11 I-I截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖
圖12 II-II截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖
圖13 III-III截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖
圖14 各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖
2.2 動(dòng)載試驗(yàn)
2.2.1 動(dòng)載試驗(yàn)原則
(1)橋梁動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試截面應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)振型特征和行車(chē)動(dòng)力響應(yīng)最大的原則確定。
(2)對(duì)多聯(lián)(孔)橋梁,同時(shí)開(kāi)展靜、動(dòng)載試驗(yàn)時(shí),動(dòng)載試驗(yàn)橋聯(lián)(孔)與靜載試驗(yàn)相同。
(3)脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)一般根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)按跨徑8等分或16等分簡(jiǎn)化布置。
(4)宜首選無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)。有障礙行車(chē)和制動(dòng)試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況選擇。
(5)無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)荷載效率ηd宜取高值,但不超過(guò)1。
(6)正式試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn),對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性檢查。
2.2.2 自振特性試驗(yàn)
在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下,采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng),以測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。在各橋跨橋面上8等分及墩頂處放置脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)傳感器,用DH5922N智能信號(hào)自動(dòng)采集儀和DHMA實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析,從而得到分析橋梁結(jié)構(gòu)的頻率、振型、阻尼比等自振特性參數(shù)。
2.2.3 無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)
在橋面無(wú)障礙的情況下,采用1輛載重汽車(chē)(單車(chē)總重約34t)分別以車(chē)速20km/h、30km/h和40km/h勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu),應(yīng)用DH5922動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試第45跨跨中截面的動(dòng)應(yīng)變,分析其沖擊系數(shù)。動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布于第45跨跨中截面。
3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1.1 橋梁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
(1)校驗(yàn)系數(shù)
校驗(yàn)系數(shù)η是評(píng)定結(jié)構(gòu)受力狀況,確定橋梁承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)·是試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的應(yīng)力或撓度之比,它反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。
同類(lèi)型橋梁η值越小,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大,但η值不宜過(guò)大或過(guò)小,如η值過(guò)大可能因?yàn)榻M成結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度或彈性模量較低,結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)結(jié)性能較差,剛度較低等。η值過(guò)小可能因?yàn)榻M成結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際強(qiáng)度或彈性模量較高,橋面鋪裝及人行道等與主梁共同受力,以及計(jì)算理論或簡(jiǎn)化的計(jì)算圖式影響等。另外,試驗(yàn)加載物的稱(chēng)量誤差、儀表的觀測(cè)誤差等對(duì)η值也有一定的影響。實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η的常值見(jiàn)表3。
表3 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)的常值表
(2)相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)
殘余變位(或殘余應(yīng)變)按下列公式計(jì)算:
總變位(或總應(yīng)變)St=Sl-Sh
彈性變位(或彈性應(yīng)變)Se=Sl-Su
殘余變位(或殘余應(yīng)變)Sp=St-Se=Su-Sh
式中,Sh——加載前測(cè)值;
Sl——加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值;
Su——卸載后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)值。
相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變)按下式計(jì)算:
式中,S′p——相對(duì)殘余變位(或應(yīng)變),Sp、St意義同前。
測(cè)點(diǎn)在控制荷載工況作用下的相對(duì)殘余變位Sp/St越小,說(shuō)明結(jié)構(gòu)越接近彈性工作狀況。一般要求Sp/St值不大于20%,當(dāng)Sp/St大于20%時(shí),說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)較差,應(yīng)查明原因。必要時(shí)再次進(jìn)行荷載試驗(yàn)確定。
(3)裂縫
在試驗(yàn)荷載作用下新橋裂縫寬度不超過(guò)《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》規(guī)定的容許值,卸載后其擴(kuò)展寬度應(yīng)閉合到容許值的1/3。
3.1.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)對(duì)所觀測(cè)撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,限于篇幅,表4僅以列出工況3~4的測(cè)試結(jié)果。由表4可知撓度理論值與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律基本一致,測(cè)試截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.81~0.90之間,均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定0.70~1.00的常值范圍內(nèi)。最大相對(duì)殘余變形為6.6%,也小于“規(guī)程”規(guī)定的20%的限值要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,橋梁實(shí)際狀況要好于理論狀況,橋梁結(jié)構(gòu)剛度性能良好,其橋梁結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。
表4 工況3~4撓度試驗(yàn)結(jié)果與分析表
3.1.3 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)對(duì)所測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,限于篇幅,表5僅以列出工況3~4的測(cè)試結(jié)果。由表5可知應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值變化規(guī)律基本一致,測(cè)試截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.76~0.88之間,均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定0.60~0.90的常值范圍內(nèi)。最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?2.5%,也小于“規(guī)程”規(guī)定的20%的限值要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,橋梁實(shí)際狀況要好于理論狀況,橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能良好,橋梁結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。
表5 工況3~4應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析表
3.1.4 裂縫觀測(cè)結(jié)果
測(cè)試截面及附近沒(méi)有出現(xiàn)裂縫和其它異?,F(xiàn)象。
3.2動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析
動(dòng)載試驗(yàn)以主要?jiǎng)恿y(cè)試參數(shù)說(shuō)明結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng),在實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)做出評(píng)價(jià)。
3.2.1 自振特性試驗(yàn)結(jié)果與分析
現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析,得到該橋第45跨跨中測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖及頻譜圖見(jiàn)圖15,實(shí)測(cè)豎向第一階、二階自振頻率及振型見(jiàn)圖16、圖18;理論計(jì)算豎向第一階、二階自振頻率及振型見(jiàn)圖17、圖19;理論計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率參數(shù)表見(jiàn)表6。試驗(yàn)表明,該橋?qū)崪y(cè)豎向第一階、二階自振頻率分別為1.00Hz、1.29Hz,均分別大于豎向第一階、二階自振頻率理論值0.98Hz、1.17Hz,說(shuō)明橋梁實(shí)際剛度大于理論剛度;豎向?qū)崪y(cè)振型與理論振型一致,表明該橋有限元分析模型中采用計(jì)算式基本合理。
表6 理論計(jì)算頻率與自振特性參數(shù)表
圖15 第45跨跨中測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖及頻譜圖
圖16 實(shí)測(cè)豎向第一階自振頻率及振型圖(自振頻率f1=1.00Hz)
圖17 理論計(jì)算模型豎向第一階自振頻率及振型圖(自振頻率f1=0.98Hz)
圖18 實(shí)測(cè)豎向第二階自振頻率及振型圖(自振頻率f2=1.29Hz)
圖19 理論計(jì)算模型豎向第二階自振頻率及振型圖(自振頻率f2=1.17Hz)
3.2.2 無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)理論計(jì)算得到豎向第一階自振頻率0.98Hz,以及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的規(guī)定,計(jì)算得到該橋沖擊系數(shù)理論計(jì)算值為1.05。經(jīng)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)采集和分析,該橋在無(wú)障礙行車(chē)情況下的橋梁動(dòng)應(yīng)變與沖擊系數(shù)列于表7。限于篇幅,僅繪出40km/h車(chē)速時(shí)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線(見(jiàn)圖20)。該橋經(jīng)換算標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)荷載作用下的沖擊系數(shù)最大值為1.02,小于理論計(jì)算值1.05,表明該橋有較好的抗動(dòng)載沖擊能力。
表7 不同車(chē)速激振下橋面動(dòng)應(yīng)變與沖擊系數(shù)
圖20 40km/h車(chē)速時(shí)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線圖
通過(guò)對(duì)該橋荷載試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析研究,結(jié)論如下:
(1)靜載試驗(yàn)效率系數(shù)介于0.98~1.00之間,符合“規(guī)程”規(guī)定。表明試驗(yàn)荷載能反映設(shè)計(jì)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用,試驗(yàn)結(jié)果有效。
(2)靜載試驗(yàn)結(jié)果研究表明:在試驗(yàn)荷載作用下,橋跨結(jié)構(gòu)各測(cè)試截面撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù),分別介于0.81~0.90、0.76~0.88之間,均符合“規(guī)程”中預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)定的常值范圍內(nèi),橋梁實(shí)際狀況要好于理論狀況,橋跨結(jié)構(gòu)受力性能良好;最大相對(duì)殘余變形和應(yīng)變分別為6.6%、12.5%,均低于“規(guī)程”規(guī)定值20%的要求,橋梁實(shí)際狀況要好于理論狀況,橋梁結(jié)構(gòu)剛度性能良好,接近彈性工作狀況。
(3)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果研究表明:實(shí)測(cè)豎向第一階、二階自振頻率分別為1.00Hz、1.29Hz,均分別大于豎向第一階、二階自振頻率理論值0.98Hz、1.17Hz,說(shuō)明橋梁實(shí)際剛度大于理論剛度;豎向?qū)崪y(cè)振型與理論振型基本一致,表明該橋有限元分析模型中采用計(jì)算式基本合理。該橋經(jīng)換算標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)荷載作用下的沖擊系數(shù)最大值為1.02,小于理論計(jì)算值1.05,表明該橋有較好的抗動(dòng)載沖擊能力。
(4)裂縫觀測(cè)結(jié)果表明,測(cè)試截面及附近沒(méi)有出現(xiàn)裂縫和其它異?,F(xiàn)象。
(5)綜上所述,該橋滿足公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。
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