曾德禮

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

懸索橋是大跨度橋梁的主要形式之一，因其主要桿件受拉力，利用效率較高，使其較其他結(jié)構(gòu)形式更適合修建大跨度橋梁，同時(shí)懸索橋還具有跨徑愈大，材料耗費(fèi)愈少、造價(jià)愈低的優(yōu)點(diǎn)，因此，懸索橋被世界各國廣泛應(yīng)用于特大跨度橋梁建設(shè)之中。傳統(tǒng)的大跨度懸索橋多為雙塔懸索橋，如目前世界最大跨度的懸索橋明石海峽大橋?yàn)?60 m+1 991 m+960 m雙塔三跨懸索橋，國內(nèi)最大跨度的懸索橋潤揚(yáng)長江公路大橋?yàn)橹骺? 490 m的雙塔單跨懸索橋。大跨度三塔懸索橋作為懸索橋發(fā)展的最新成果，目前國內(nèi)已建成3座，其中泰州長江大橋、馬鞍山長江大橋?yàn)槿鐟宜鳂?，武漢鸚鵡洲長江大橋?yàn)槿目鐟宜鳂?。作為新的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)三塔懸索橋其進(jìn)行成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)驗(yàn)證其承載能力非常有必要[1]。

1 工程概況

武漢鸚鵡洲長江大橋主橋采用225 m+2×850 m+225 m三塔四跨鋼-混凝土結(jié)合梁懸索橋。主梁采用雙鉸式支承體系，中塔為鋼-混凝土疊合結(jié)構(gòu)，邊塔為混凝土結(jié)構(gòu)。中塔下橫梁及兩邊塔下橫梁上設(shè)有主梁豎向支座和橫向抗風(fēng)支座，同時(shí)，在兩邊塔下橫梁上設(shè)有縱向液壓阻尼裝置。武漢鸚鵡洲長江大橋是武漢市首座8車道長江大橋，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，大橋于2014年12月28日正式建成通車。

2 三塔四跨懸索橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1) 中塔受力復(fù)雜。本橋的主纜從錨碇起經(jīng)過一個(gè)邊跨和一個(gè)主跨后才到達(dá)中塔，主纜對(duì)中塔塔頂?shù)募s束相對(duì)較弱，在荷載作用下，中塔承受的水平力及其兩側(cè)主纜的水平力將根據(jù)剛度比通過變形來達(dá)到平衡，因此中塔本身剛度的大小將直接影響到多塔連跨懸索橋全橋的變形和受力特點(diǎn)[2]。

2) 鋼-混組合梁。鋼-混組合梁是鋼梁和所支承的鋼筋混凝土板通過抗剪連接件組合成一個(gè)整體而共同工作的梁。組合梁能更好地發(fā)揮鋼的抗拉性能和混凝土的抗壓性能[3]，而鋼-混組合梁中鋼材和混凝土的應(yīng)力分布情況是近年來鋼-混組合梁受力情況研究的重點(diǎn)。

3) 幾何非線性顯著。本橋具有塔柱高、跨度大、結(jié)構(gòu)柔的特點(diǎn)。主跨跨度大，結(jié)構(gòu)整體幾何非線性影響明顯?；钶d內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)恒載的初始內(nèi)力狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和幾何非線形分析的影響[4]。

4) 溫度效應(yīng)復(fù)雜。溫度場對(duì)超大跨度懸索橋的影響顯著，另外，主橋采用了鋼材和混凝土2種不同傳熱屬性的材料，使得本橋的溫度場分布和效應(yīng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于一般的大跨度懸索橋。

5) 動(dòng)力特性復(fù)雜。本橋跨度大，塔柱高，樁基和土之間的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響大，因此，樁土效應(yīng)不能忽略。同時(shí)由于橋梁跨度大，橋梁基頻低，試驗(yàn)時(shí)需選用高精度拾振器測試其結(jié)構(gòu)自振頻率。

3 靜動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

3.1 靜載試驗(yàn)測試內(nèi)容

橋梁成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)是橋梁驗(yàn)收的重要依據(jù)，目前橋梁靜載試驗(yàn)內(nèi)容主要根據(jù)JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》確定。依照該規(guī)范，懸索橋靜載試驗(yàn)測試內(nèi)容主要包括：①加勁梁最大正彎矩截面應(yīng)力及撓度；②主塔塔頂縱向最大水平位移及塔腳截面應(yīng)力；③塔、梁體混凝土裂縫；④最不利吊桿索力增量；⑤主纜錨跨索股最大張力增量；⑥加勁梁梁端最大縱向位移漂移。其中①-④項(xiàng)為必測工況，⑤～⑥項(xiàng)為選測工況。綜合本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建議試驗(yàn)時(shí)增加以下測試內(nèi)容：

1) 溫度測試。本橋?yàn)榇罂缍葮蛄?，具有塔高、跨度大的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)變位受溫度影響顯著，計(jì)算結(jié)果表明，環(huán)境溫度每升高1 ℃，主梁主跨跨中下?lián)?9 mm，塔偏向中跨偏位2 mm。本次試驗(yàn)加載車輛多，加載時(shí)間長，特別是跨中最大撓度加載工況的加載車輛達(dá)54臺(tái)車，加載時(shí)長近30 min，加載前后的溫度變化直接影響撓度和塔偏的測試精度，因此，試驗(yàn)時(shí)需測試環(huán)境、橋梁的溫度場。溫度場測試包括塔、組合梁、主纜、吊索、大氣5部分的溫度。

2) 中塔鋼-混接頭處應(yīng)力測試。鸚鵡洲長江大橋中塔采用鋼-混疊合結(jié)合的結(jié)構(gòu)，這種新穎的混合塔柱受力復(fù)雜，試驗(yàn)時(shí)除了對(duì)規(guī)范要求的塔腳截面應(yīng)力測試外，還需對(duì)鋼-混接頭位置附近的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分別進(jìn)行測試。

3) 伸縮縫位移測試。伸縮縫位移直接關(guān)系到行車的舒適性，為降低活載作用下的伸縮縫位移，本橋采用縱向半漂浮體系，試驗(yàn)時(shí)需對(duì)梁端伸縮縫位移進(jìn)行測試。

4) 中塔扭轉(zhuǎn)效應(yīng)測試。由于兩主跨的跨度較大，導(dǎo)致中塔的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯大于兩塔懸索橋，因此在試驗(yàn)過程中應(yīng)對(duì)中塔的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行測試[5]。

5) 支座工作狀態(tài)觀測。本橋主梁采用四跨簡支鋼-混結(jié)合梁，主梁在邊、中塔及邊墩處均設(shè)置豎向抗壓支座，在中塔、邊墩處設(shè)縱向固定支座。由于中塔處支座豎向和縱向均進(jìn)行了約束，導(dǎo)致該處支座受到的豎向力和剪力均較大，加載過程中需觀測各支座是否工作正常。

3.2 加載效率的確定

依照J(rèn)TG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》的要求，成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)以設(shè)計(jì)荷載作為控制荷載，試驗(yàn)加載效率宜控制在0.85～1.05之間。由于本橋跨度較大，規(guī)范規(guī)定的部分主要工況的加載效率滿足規(guī)范要求時(shí)，其他主要工況的加載效率可能超過規(guī)范限值(如主塔順橋向最大偏位的加載效率達(dá)到85%時(shí)，主跨跨中撓度的加載效率會(huì)超過105%)。根據(jù)資料調(diào)查，在馬鞍山長江大橋(主跨2×1 080 m三塔兩跨懸索橋)、泰州大橋(主跨2×1 080 m三塔兩跨懸索橋)及武漢陽邏長江大橋(主跨1 280 m的雙塔懸索橋)的成橋荷載試驗(yàn)時(shí)出于謹(jǐn)慎考慮，均對(duì)部分工況(如橋塔塔頂順橋向最大位移、錨跨索股最大索力、塔頂最大扭轉(zhuǎn)等)的加載效率進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，實(shí)際加載效率在50%～80%之間，從而達(dá)到既能保障橋梁結(jié)構(gòu)安全，又使靜載試驗(yàn)仍能滿足檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的目的?？紤]到實(shí)際運(yùn)營時(shí)大量荷載同時(shí)作用于橋梁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的概率較低，經(jīng)質(zhì)監(jiān)部門和橋梁管養(yǎng)單位同意，本次試驗(yàn)加載工況的加載效率適當(dāng)予以了降低，實(shí)際加載效率如下：

1) 主梁最大內(nèi)力及撓度加載工況。加載效率控制在80%～100%之間。

2) 吊索索力最大增量加載工況。加載效率控制在80%～100%之間。

3) 橋塔塔頂順橋向最大位移、錨跨索股最大索力、梁端縱向最大偏位加載工況：加載效率控制在50%～70%之間。

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)分為脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。其中脈動(dòng)試驗(yàn)在空載的情況下測試橋梁的自振頻率、阻尼比和結(jié)構(gòu)陣型；強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M車輛的實(shí)際運(yùn)營情況，分為跑車試驗(yàn)、會(huì)車試驗(yàn)和跳車試驗(yàn)，分別測試橋梁在車輛荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。

鸚鵡洲長江大橋主跨跨度大，橋梁基頻低，理論計(jì)算的一階自振頻率為0.097 Hz，試驗(yàn)時(shí)選用991型超低頻測振儀測試其結(jié)構(gòu)自振頻率。本橋?yàn)?車道，車道折減系數(shù)為0.5，跑車試驗(yàn)和會(huì)車試驗(yàn)時(shí)采用4臺(tái)300 kN加載車進(jìn)行試驗(yàn)，跳車試驗(yàn)采用1臺(tái)300 kN的加載車進(jìn)行試驗(yàn)。動(dòng)撓度采用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)(SDDMS)進(jìn)行測試。

4 靜載試驗(yàn)主要測試結(jié)果

4.1 主梁撓度

本次試驗(yàn)對(duì)漢陽側(cè)主跨跨中最大撓度和漢陽側(cè)主跨1/4跨最大撓度分別進(jìn)行了加載，加載車輛分別為54臺(tái)和48臺(tái)。撓度測試選用高精度、高效率的橋梁撓度儀[6]進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了加載到位后3 s內(nèi)完成全橋撓度測點(diǎn)的測試工作，有效地降低了測試過程中溫度變化和人為轉(zhuǎn)站產(chǎn)生的測試誤差，提高了試驗(yàn)效率。對(duì)主跨跨中最大撓度加載時(shí)，實(shí)測組合梁撓度最大值為2 005.6 mm，計(jì)算值為2 095.91 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.96；對(duì)主跨1/4跨最大撓度加載時(shí)，實(shí)測組合梁撓度最大值為1 574.5 mm，計(jì)算值為1 721.6 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.91。在主跨跨中撓度加載工況下主梁撓度曲線見圖1，該工況荷載效率94.9%，將該測試撓度值換算為設(shè)計(jì)荷載時(shí)的撓度值為2 113.4 mm，撓跨比f/L為1/402.2，表明結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖1 漢陽側(cè)主跨跨中撓度加載工況主梁撓度結(jié)果

撓度加載時(shí)主要撓度測點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.91～0.96之間，接近規(guī)范中撓度校驗(yàn)系數(shù)常數(shù)值(0.75～1.0)的上限。經(jīng)查證，馬鞍山長江大橋、泰州長江大橋及陽邏長江大橋等大跨度懸索橋靜載試驗(yàn)時(shí)主要撓度測點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)分為介于0.96～1.0之間，0.92～1.0[7]之間及0.99～1.0[8]之間，與本橋的撓度校驗(yàn)系數(shù)相當(dāng)。

4.2 主塔偏位

試驗(yàn)中對(duì)中塔及邊塔上下游塔頂偏位進(jìn)行了測試。在中塔順橋向最大偏位加載工況下，中塔塔頂偏位測試結(jié)果見表1。

表1 中塔順橋向最大偏位工況下中塔塔頂偏位結(jié)果

由表1可見，中塔塔頂上下游實(shí)測值分別為449 mm和462 mm，計(jì)算值為475 mm，校驗(yàn)系數(shù)在0.95～0.97之間，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明主塔整體抗彎剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

規(guī)范中未給出塔偏校驗(yàn)系數(shù)的常數(shù)值，經(jīng)查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗(yàn)荷載作用下，塔偏校驗(yàn)系數(shù)在0.90～0.98之間，與本橋的塔偏校驗(yàn)系數(shù)相當(dāng)。

4.3 主梁及主塔應(yīng)力

在靜載試驗(yàn)荷載作用下，各測試工況作用下組合梁各應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.88，主塔各應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.56～0.88，校驗(yàn)系數(shù)均小于1，表明主梁和主塔的整體抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)常值為0.75～1.0，預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)常值為0.60～0.90。實(shí)測應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)較規(guī)范常值略微偏小，經(jīng)查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗(yàn)荷載作用下，主梁應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.60～1.05，主塔應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.62～1.04，本橋應(yīng)力實(shí)測校驗(yàn)系數(shù)基本在馬鞍山長江大橋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)范圍內(nèi)。

4.4 吊桿索力增量

理論活載計(jì)算最大索力增量為中塔附近62號(hào)索(62sa，62xa，62sb，62xb)，4根索的實(shí)測索力增量分別為196，205，181及191 kN，計(jì)算值為290 kN，索力校驗(yàn)系數(shù)為0.62～0.71，實(shí)測值小于計(jì)算值，表明斜拉索受力滿足規(guī)范要求。

規(guī)范中未給出吊桿索力增量校驗(yàn)系數(shù)的常數(shù)值，經(jīng)查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗(yàn)荷載作用下，索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.61～1.03，本橋吊桿索力增量實(shí)測校驗(yàn)系數(shù)基本在馬鞍山長江大橋吊桿索力實(shí)測校驗(yàn)系數(shù)范圍內(nèi)。

4.5 其他測試成果

在靜載試驗(yàn)過程中，實(shí)測最大伸縮縫位移和梁端位移分別為47 mm和45 mm，伸縮縫位移量較小，對(duì)行車的舒適性影響較小。試驗(yàn)中對(duì)加載過程中的主梁、主塔及支座等關(guān)鍵部位進(jìn)行了觀測，觀測過程中未發(fā)現(xiàn)主梁、主塔關(guān)鍵部位產(chǎn)生裂縫，各支座工作正常，橋梁其它構(gòu)件均未出現(xiàn)異常情況。

5 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 自振特性分析

鸚鵡洲長江大橋?yàn)榇罂缍热嵝越Y(jié)構(gòu)[9-10]，表2為前十階脈動(dòng)試驗(yàn)的自振頻率測試結(jié)果。結(jié)構(gòu)前十階自振頻率為0.097～0.261 Hz，實(shí)測自振頻率為0.103～0.310 Hz，實(shí)測值均大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力剛度滿足要求。

表2 鸚鵡洲長江大橋自振特性

5.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

采用4臺(tái)車進(jìn)行跑車試驗(yàn)和會(huì)車試驗(yàn)，跑車工況下，主梁實(shí)測豎向振幅最大值為6.04 mm，發(fā)生在以50 km/h跑車時(shí)主梁跨中截面測點(diǎn)處；會(huì)車工況下，主梁豎向振幅最大值為4.46 mm，發(fā)生在以60 km/h行車時(shí)主跨跨中截面測點(diǎn)處。

跑車試驗(yàn)和會(huì)車試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)頻率約在3 Hz左右，實(shí)測自振頻率在0.103～0.310 Hz之間，運(yùn)營車輛的引發(fā)的受迫振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相差很大，不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。實(shí)測橋梁沖擊系數(shù)平均值為0.03，沖擊系數(shù)小于JTG D60-2015 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的設(shè)計(jì)值0.05。

6 結(jié)論

1) 對(duì)三塔四跨懸索橋靜動(dòng)載試驗(yàn)的測試內(nèi)容，在JTG/T J21-01—2015 《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的測試內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建議增加溫度測試、中塔鋼-混接頭處應(yīng)力測試、伸縮縫位移測試及中塔扭轉(zhuǎn)效應(yīng)測試等內(nèi)容。

2) 對(duì)三塔四跨懸索橋靜動(dòng)載試驗(yàn)的加載效率予以適當(dāng)降低，并給出了主要工況加載效率的建議值。

3) 將武漢鸚鵡洲長江大橋的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)與規(guī)范常數(shù)值、馬鞍山長江大橋、泰州長江大橋及陽邏長江大橋的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，供其他類似橋梁參考。

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