空間曲梁單邊懸索橋靜載試驗(yàn)方法研究

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橋梁靜荷載試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最基本和最重要的試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中起主導(dǎo)作用。靜載試驗(yàn)是用物理力學(xué)方法測定和研究結(jié)構(gòu)在最不利位置作用下的反應(yīng)，分析判定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與受力狀況。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是一種主要用于驗(yàn)證橋梁承載力的測試方法，是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，然后測試結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移、索力等其他試驗(yàn)項(xiàng)目，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用功能。

1 工程概況

上海國際旅游度假區(qū)空間曲梁單邊懸索橋由東西2座懸索彎橋組成。橋梁形式為空間懸索結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)分為主橋、副橋2部分，主橋?yàn)楫愋武撓淞簶?gòu)造，主橋外緣通過吊索與主纜連接，副橋?yàn)椤癥”形臂構(gòu)造，上肢與主橋內(nèi)緣連接，下肢支撐于張拉環(huán)索，環(huán)索通過法向索與主橋連接。其中西橋主橋橋面中心線位于R=35.50 m的圓曲線上，總長90 m，橋面寬6 m；內(nèi)側(cè)副橋橋面中心線位于R=31.50 m的圓曲線上，內(nèi)側(cè)主梁全長70 m，橋面寬3 m。中跨主纜跨徑L1=36 m，邊跨跨徑L2=27 m。

2 靜載試驗(yàn)意義和目的

迪士尼景觀橋作為一種新型橋梁，在國內(nèi)首次應(yīng)用，目前國內(nèi)尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此通過靜載試驗(yàn)對橋梁承載能力及工作性能進(jìn)行驗(yàn)證顯得尤為重要。通過靜載試驗(yàn)還能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法是否正確，對完善空間懸索人行橋的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法以及施工方案有重要作用。

該橋通過靜載試驗(yàn)，預(yù)期達(dá)到以下目的[1-3]：

1）驗(yàn)證橋梁在使用荷載組合下的凈空高度；

2）測定橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的吊索力、背索力、鋼箱梁應(yīng)力，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比；

3）試驗(yàn)結(jié)果用于檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算和實(shí)際狀態(tài)間的偏差，驗(yàn)證橋梁承載力與可靠性。測量數(shù)據(jù)作為橋梁最終驗(yàn)收的依據(jù)；

4）靜載試驗(yàn)結(jié)果可作為動載試驗(yàn)方案編制的依據(jù)；

5）為科學(xué)研究積累試驗(yàn)資料，以利于進(jìn)一步完善此類橋梁的設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)、驗(yàn)收等工作。

3 橋梁靜載試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容

橋梁試驗(yàn)荷載效應(yīng)計(jì)算是在設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定加載位置、加載等級以及在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)大小的過程，也是一個反復(fù)試算的過程。

本工程為大跨度空間懸索鋼結(jié)構(gòu)橋，考慮到本工程結(jié)構(gòu)形式特殊且類似工程較少，擬通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性與適用性。

3.1 安全性驗(yàn)證

通過理論計(jì)算分析，本工程有如下最不利承載能力狀態(tài)：

1）當(dāng)活荷載沿全橋滿載分布時(shí)，橋梁背索力與絕大部分鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力將達(dá)到最大值。

2）當(dāng)活荷載沿全橋3/4跨滿載分布，另外1/4跨空載（即偏載）時(shí)，橋梁的吊索力將達(dá)到最大值。

因此，本工程的承載能力驗(yàn)證主要由索力、應(yīng)力2方面構(gòu)成。其中索力主要檢測背索及與索塔連接的⑤軸與軸吊索，應(yīng)力主要監(jiān)測主橋鋼箱梁與副橋“Y”形臂。

3.2 適用性驗(yàn)證

為滿足使用階段通航的要求，需驗(yàn)證本工程的凈空高度。凈空高度的驗(yàn)證主要通過測量橋梁在滿載狀態(tài)下的跨中位移來實(shí)現(xiàn)。

4 加載方案研究

4.1 設(shè)計(jì)活荷載

迪士尼景觀橋設(shè)計(jì)活荷載為人群荷載和自行車荷載，工況考慮了極限大人流滿布橋面和橋面局部偏載情況。

設(shè)計(jì)活荷載分布如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)活荷載分布模式

模式1～模式4的設(shè)計(jì)活荷載，內(nèi)側(cè)橋板為4.80 kN/m2，外側(cè)橋板為4.30 kN/m2；模式5～模式7的設(shè)計(jì)活荷載，內(nèi)側(cè)橋板為4.10 kN/m2，外側(cè)橋板為3.80 kN/m2；模式8的設(shè)計(jì)活荷載，內(nèi)側(cè)橋板為3.60 kN/m2，外側(cè)橋板為3.30 kN/m2；模式9的設(shè)計(jì)活荷載，內(nèi)側(cè)橋板為3.00 kN/m2，外側(cè)橋板為2.80 kN/m2。

4.2 加載方案

由于橋梁靜載試驗(yàn)為鑒定荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載原則上盡量采用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載相同的荷載，但由于客觀條件的限制，實(shí)際采用的試驗(yàn)荷載很難與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載一致。

由于受到場地吊裝條件的限制，為充分利用抽水方便的條件，故本橋靜載試驗(yàn)的加載采用水袋加載的方式，通過水袋中充水多少反映橋面施加荷載的大小。采用水袋加載不僅減少人工搬運(yùn)工作量，而且提高了荷載布置均勻性，為最大限度地反映設(shè)計(jì)荷載布置情況創(chuàng)造了條件。

由于在試驗(yàn)過程中玻璃、欄桿、二期鋪裝等都沒有安裝，不能成為真實(shí)模擬最終成橋后的實(shí)際受力情況，故此次靜載方案將這類荷載全部考慮在內(nèi)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)荷載情況一覽（單位：kN/m2）

為提高試驗(yàn)的安全性，并獲得加載過程橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的受力反應(yīng)，采用分級加載方式。試驗(yàn)時(shí)先驗(yàn)證滿布荷載，然后驗(yàn)證偏載，加載時(shí)先加載副橋后加載主橋，副橋及主橋均按2次加載，如表2、圖2～圖4所示。

表2 荷載分級加載（單位：kN/m2）

5 監(jiān)測內(nèi)容與測點(diǎn)布置選擇

橋梁靜載過程中需要通過監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)受力反應(yīng)。從橋梁安全性和適用性驗(yàn)證目的出發(fā)，靜載試驗(yàn)過程中的監(jiān)測內(nèi)容有主橋、副橋變形、鋼箱梁應(yīng)變、主纜索力、吊索索力、背索索力、塔頂位移等[4-6]。

應(yīng)變觀測：在試驗(yàn)過程中對每個工況的每級加載應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變觀測應(yīng)包括初應(yīng)變、每個工況對應(yīng)的彈性應(yīng)變、殘余應(yīng)變等，并及時(shí)與理論值進(jìn)行對比分析。

圖2 西橋全跨滿載示意（單位: kN/m2）

圖3 西橋3/4跨滿載示意（單位: kN/m2）

圖4 加載試驗(yàn)現(xiàn)場

索力觀測：在試驗(yàn)過程中對每個工況的每級加載索力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將檢測數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對比分析。

橋梁變形：靜載試驗(yàn)過程中對索塔塔頂、橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間位移和水平沉降監(jiān)測。

測量設(shè)備擬采用全站儀、水準(zhǔn)儀、索力動測儀、振弦式應(yīng)變計(jì)。觀測記錄應(yīng)記錄好時(shí)間、溫度、工況、特殊情況等詳細(xì)情況[7-9]。

主副橋及鋼箱梁的位移測點(diǎn)與應(yīng)力傳感器布置如圖5～圖7所示。

圖5 主橋應(yīng)力測點(diǎn)布置示意

圖6 副橋“Y”形臂應(yīng)力及位移測點(diǎn)布置示意

6 結(jié)語

荷載試驗(yàn)是驗(yàn)證橋梁承載力和結(jié)構(gòu)性能的手段，也是橋梁質(zhì)量驗(yàn)收的重要依據(jù)。因此橋梁靜載試驗(yàn)方案直接關(guān)系到試驗(yàn)是否能達(dá)到靜載試驗(yàn)的目的。迪士尼景觀橋?yàn)樾滦涂臻g懸索人行橋，通過深入研究橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合靜載試驗(yàn)?zāi)康?，制訂了水袋分級加載的靜載方案，并明確了監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點(diǎn)的布置，靜載方案全面地反映了試驗(yàn)加載和監(jiān)測全過程，為日后其他類似橋梁提供了借鑒[10]。

圖7 鋼箱梁應(yīng)力及位移測點(diǎn)布置示意