重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋成橋荷載試驗(yàn)研究

方華兵，李鷗

(1.中鐵大橋局集團(tuán)橋科院有限公司，湖北武漢430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430034)

重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋成橋荷載試驗(yàn)研究

方華兵1，2，李鷗1，2

(1.中鐵大橋局集團(tuán)橋科院有限公司，湖北武漢430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430034)

重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?52 m的中承式連續(xù)鋼桁系桿拱橋，為世界上跨度最大的拱橋，采用公軌兩用的雙層橋面布置，具有結(jié)構(gòu)新穎、荷載重、跨度大等特點(diǎn)。本文介紹了該橋成橋荷載試驗(yàn)過(guò)程，將試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋在試驗(yàn)荷載作用下具有足夠的強(qiáng)度和剛度，橋梁的自振特性及在汽車(chē)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

連續(xù)鋼桁拱橋 公軌兩用 荷載試驗(yàn)

1 工程概述

重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋(以下簡(jiǎn)稱朝天門(mén)大橋)為(190+552+190)m的三跨中承式連續(xù)鋼桁系桿拱橋，為世界上跨度最大的拱橋(見(jiàn)圖1)。兩片主桁間距29 m，兩側(cè)邊跨為變高度桁梁，中跨為鋼桁系桿拱。中跨布置有上下兩層系桿，上層鋼結(jié)構(gòu)系桿端部與拱肋下弦節(jié)點(diǎn)相連接，下層系桿與加勁腿處中弦及邊跨下弦貫通，下層系桿設(shè)置了輔助系索，錨固于系桿端節(jié)點(diǎn)處。全橋采用變節(jié)間布置，共有12，14，16 m等3種節(jié)間形式。

圖1 朝天門(mén)大橋結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

朝天門(mén)大橋通過(guò)中跨上下層橋面設(shè)置的系桿來(lái)平衡拱的推力，構(gòu)成無(wú)推力中承式鋼桁架系桿拱橋?？v向支承體系布置為江北側(cè)中支點(diǎn)(P7墩)設(shè)置固定鉸支座，其余各墩均為活動(dòng)鉸支座;橫向支承體系布置為中支點(diǎn)均為固定支座，邊支點(diǎn)為橫向活動(dòng)支座，邊支點(diǎn)下橫梁中心設(shè)置兩個(gè)橫向限位支座［1］。朝天門(mén)大橋?yàn)殡p層交通布置:上層橋面為雙向6車(chē)道和兩側(cè)人行道，橋面寬度36.5 m;下層橋面中間為雙線城市輕軌，兩側(cè)為雙向兩車(chē)道。其主要設(shè)計(jì)活載為:汽車(chē)荷載為公路—Ⅰ級(jí)8車(chē)道;人群荷載2.5 kN/m2;軌道交通荷載采用B型地鐵車(chē)，5輛車(chē)編組，每輛車(chē)長(zhǎng)19.52 m，共4軸，軸間距為(2.3+10.3+2.3)m，車(chē)輛最大軸重140 kN。

荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)(如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度)最直接有效的方法［2］，一般大跨度橋梁在竣工通車(chē)前均需進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)，以對(duì)橋梁的工作狀態(tài)和承載力進(jìn)行檢驗(yàn)和鑒定。文獻(xiàn)［3］對(duì)主跨為360 m的鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)［4］至文獻(xiàn)［8］對(duì)大跨度的斜拉橋和懸索橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)研究。本文對(duì)朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋主橋超大跨度連續(xù)鋼桁拱橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)研究。通過(guò)靜動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)試在試驗(yàn)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)整體或各部位的靜動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)判橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力和工作狀況，驗(yàn)證關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法和理論計(jì)算的正確性與合理性，為大跨度拱橋的設(shè)計(jì)積累科學(xué)資料。

2 荷載試驗(yàn)主要內(nèi)容

1)靜載試驗(yàn):在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計(jì)活載基本相當(dāng)?shù)撵o荷載，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下的撓度、應(yīng)力等效應(yīng)值，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與設(shè)計(jì)期望值是否相符。靜載試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括測(cè)試主桁結(jié)構(gòu)的桿件應(yīng)力、吊索索力、主桁和橋面的撓度及梁端支座位移等。

2)動(dòng)載試驗(yàn):利用環(huán)境激勵(lì)或試驗(yàn)車(chē)輛激勵(lì)方法激起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)，以判斷橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能。

由于大橋竣工時(shí)，軌道交通尚未通車(chē)，大橋軌道交通的活載效應(yīng)換算成汽車(chē)荷載進(jìn)行等效加載，動(dòng)載試驗(yàn)中的強(qiáng)迫振動(dòng)主要測(cè)試汽車(chē)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。

3 計(jì)算模型

朝天門(mén)大橋MIDAS有限元空間計(jì)算模型包括5 055個(gè)空間梁?jiǎn)卧?8個(gè)空間桁架單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 732個(gè)。試驗(yàn)前計(jì)算出各控制截面或桿件設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，然后根據(jù)影響線，用30 t標(biāo)準(zhǔn)載重車(chē)輛加載試算，計(jì)算主橋各個(gè)試驗(yàn)工況下相應(yīng)測(cè)試斷面或桿件應(yīng)力和變形，使其滿足規(guī)定的加載效率。

在試驗(yàn)實(shí)施前，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)工況進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)算，除了主要控制的桿件外，對(duì)同一工況下全橋其他部位桿件、橋面系的受力也進(jìn)行分析，制訂詳細(xì)的加載方案，防止結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)超載。根據(jù)靜力加載工況，試驗(yàn)前在上層橋面、下層預(yù)留車(chē)道的相應(yīng)位置，標(biāo)記試驗(yàn)加載車(chē)輛的輪位。進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格按照預(yù)先標(biāo)記好的輪位進(jìn)行分級(jí)加載和卸載。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析［9］

4.1 靜載試驗(yàn)工況

主橋試驗(yàn)工況根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)體系的主要內(nèi)力控制斷面確定。每個(gè)測(cè)試斷面的加載工況，根據(jù)該斷面活載效應(yīng)最大的桿件控制加載效率，針對(duì)具體桁架桿件進(jìn)行加載。通過(guò)對(duì)實(shí)橋各控制斷面的應(yīng)力、位移進(jìn)行測(cè)試，與理論值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷分析橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和工作狀況。主要試驗(yàn)工況的荷載效率如表1所示。

表1 主橋靜力試驗(yàn)加載工況和加載效率

4.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)位移。主要試驗(yàn)工況的橋面和拱桁撓度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2至圖4。在工況2試驗(yàn)荷載作用下，邊跨橋面最大實(shí)測(cè)撓度為-79.1mm，理論值為-99.7 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.79。在工況7試驗(yàn)荷載作用下，中跨橋面L/2最大實(shí)測(cè)撓度為-153.3 mm，理論值為-184.9 mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.83。各測(cè)點(diǎn)撓度測(cè)試結(jié)果均小于計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.71～0.94之間，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 工況2橋面撓度實(shí)測(cè)值

工況2、工況4和工況5試驗(yàn)荷載作用下，南拱腳(P8墩)的支座縱向位移分別為-27.4 mm(向江側(cè))、31.7 mm(向岸側(cè))和17.7 mm(向岸側(cè))，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)工況下支座理論位移值分別為-34.5，42.5和25.3 mm，校驗(yàn)系數(shù)分別為0.79，0.75和0.70。

2)應(yīng)力。主要試驗(yàn)工況下，關(guān)鍵斷面桿件應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。靜載試驗(yàn)拱桁桿件的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.61～0.94之間，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 工況4橋面和拱桁撓度實(shí)測(cè)值

圖4 工況7橋面和拱桁撓度實(shí)測(cè)值

表2 主要試驗(yàn)工況的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3)索力。工況4和工況5試驗(yàn)荷載作用下受力較大吊索的索力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。索力實(shí)測(cè)值與理論值吻合較好。

圖5 索力測(cè)試結(jié)果

5 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 自振特性

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，朝天門(mén)大橋橫向一階和豎向一階的振型見(jiàn)圖6。

圖6 有限元振型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋主橋的脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，得出自振特性參數(shù)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。

表3 朝天門(mén)大橋自振特性測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出，朝天門(mén)大橋的實(shí)測(cè)豎向基頻為0.51 Hz，振型為反對(duì)稱彎曲振動(dòng)+全橋縱向漂移耦合的振型，計(jì)算頻率為0.34 Hz。實(shí)測(cè)橫向基頻為0.25 Hz，振型為對(duì)稱彎曲振動(dòng)，計(jì)算頻率為0.22 Hz。豎向基頻和橫向基頻的實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，表明橋梁豎、橫向動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 強(qiáng)迫振動(dòng)

一輛30 t載重試驗(yàn)車(chē)在速度60 km/h的跑車(chē)工況下，中跨橋面豎向振幅最大值發(fā)生在中跨L/4處，豎向振幅最大值為0.74 mm;橫向振幅最大值發(fā)生在中跨3L/8處，橫向振幅最大值為0.26 mm。一輛車(chē)在跑車(chē)工況下拱肋豎向振幅最大值為0.32 mm，橫向振幅最大值為0.27 mm。

兩輛30 t載重試驗(yàn)車(chē)在速度60 km/h的跑車(chē)工況下，中跨橋面豎向振幅最大值發(fā)生在中跨3L/4處，豎向振幅最大值為0.73 mm;橫向振幅最大值發(fā)生在中跨L/4處，橫向振幅最大值為0.40 mm。兩輛車(chē)在跑車(chē)工況下拱肋豎向振幅最大值為0.45 mm，橫向振幅最大值為0.36 mm。

在中跨3L/4原地跳車(chē)工況下，豎向振幅最大值為0.76 mm。

朝天門(mén)大橋?qū)崪y(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.05。朝天門(mén)大橋豎向基頻為0.51 Hz，根據(jù)公路橋規(guī)［10］，當(dāng)豎向基頻f＜1.5 Hz時(shí)，沖擊系數(shù)μ設(shè)計(jì)取值為0.05。因此，實(shí)橋汽車(chē)引起的沖擊系數(shù)滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

朝天門(mén)大橋荷載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，橋梁工作狀況處于彈性范圍，承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。汽車(chē)荷載引起的強(qiáng)迫振動(dòng)實(shí)測(cè)振幅值在合理范圍之內(nèi)，沖擊系數(shù)滿足規(guī)范要求。

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(責(zé)任審編趙其文)

U446

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.04

1003-1995(2015)02-0012-04

2014-03-18;

2014-11-21

方華兵(1972—)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師。