舟山小干二橋懸索跨主橋成橋荷載試驗(yàn)*

王丁力，馮超梁，房科紅，唐忠平

(1.嵊泗縣城鄉(xiāng)建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 舟山 202450；2.浙江中邑建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315016；3.浙江科信聯(lián)合工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，浙江 寧波 315040；4.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 工程概況

舟山小干二橋是舟山市市政工程中首座特大型橋梁，南起小干島北側(cè)，北與海天大道相交，全長(zhǎng)1 455.2m，按城-A荷載等級(jí)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)。主橋?yàn)?50m+370m+150m雙塔三跨組合梁自錨式懸索橋，最大跨徑屬于同類(lèi)型橋梁中世界第一[1]。

圖1 舟山小干二橋?qū)嵕?/p>

其主橋全寬32.0m、雙向4車(chē)道，主梁采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，主梁最高為3.0m，鋼結(jié)構(gòu)由主縱梁(閉口箱梁)、橫梁、挑梁、小縱梁組成雙主梁梁格體系；橋面板采用C60預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆縫采用C60無(wú)收縮纖維混凝土；鋼梁與橋面板之間通過(guò)剪力釘連接。主塔高100.0m，矢跨比為1/6，全橋共2根主纜、雙纜面，每根主纜由61股平行束組成，每股含127根φ5.0鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲；全橋共75對(duì)吊索，采用銷(xiāo)鉸式；索夾為上下對(duì)合型，用高強(qiáng)螺栓桿連接，上下兩半均采用鑄鋼結(jié)構(gòu)，主索鞍及散索套均采用全鑄式結(jié)構(gòu)。該橋于2016年6月開(kāi)工建設(shè)，2018年2月建造完成。

為檢驗(yàn)該橋設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量水平，掌握該橋的實(shí)際工作性能，檢驗(yàn)該橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力、安全性和可靠性，為竣工驗(yàn)收提供依據(jù)，2018年3月對(duì)舟山小干二橋懸索跨主橋組織進(jìn)行成橋荷載試驗(yàn)。

賈毅等研究了某城市獨(dú)塔懸索橋的成橋荷載試驗(yàn)過(guò)程，為竣工驗(yàn)收提供技術(shù)支撐[2]；李萬(wàn)恒等依托泰州長(zhǎng)江大橋和馬鞍山長(zhǎng)江大橋荷載試驗(yàn)為背景，提出了三塔懸索橋荷載試驗(yàn)的要點(diǎn)[3]；郭霖華等對(duì)南京小龍灣自錨式懸索橋荷載試驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行了論述[4]；史耀華對(duì)劉家峽大橋懸索橋成橋荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)成橋質(zhì)量機(jī)型評(píng)定[5]。由于受海洋環(huán)境的特殊影響，按對(duì)稱相似原則，本次靜載試驗(yàn)選取對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一半組織、動(dòng)載試驗(yàn)按全橋長(zhǎng)全截面組織實(shí)施。

2 有限元模擬分析

在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)前，須按實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況建立三維有限元模型進(jìn)行加載靜力和動(dòng)力模擬分析，計(jì)算出各控制截面內(nèi)力最不利加載范圍，確定加載輪位和試驗(yàn)方案。

采用MIDAS /Civil 2017有限元軟件進(jìn)行舟山小干二橋懸索跨主橋模擬分析和計(jì)算加載方案。建立全橋結(jié)構(gòu)的等比三維模型，主縱梁(閉口箱梁)、橫梁、挑梁、小縱梁均采用梁?jiǎn)卧?，橋面板采用板單元，主纜和吊桿采用索。主纜的端頭錨固處和主塔塔底為固結(jié)，主纜在塔頂主鞍中心處按永不脫離點(diǎn)考慮，主纜與吊桿、吊桿與橫梁的連接采用共節(jié)點(diǎn)模擬約束，加勁梁梁端縱向位移和轉(zhuǎn)角均為自由，僅有豎向約束。結(jié)構(gòu)自重由MIDAS /Civil 2017自動(dòng)考慮，車(chē)道荷載按移動(dòng)荷載施加，二期恒載等靜力荷載均采用梁?jiǎn)卧奢d。有限元模型如圖2所示。

圖2 舟山小干二橋懸索跨主橋有限元模型

3 靜載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)為無(wú)破壞性試驗(yàn)，是將靜止的車(chē)輛荷載作用在橋梁指定斷面位置(見(jiàn)圖3)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫、索力增量等關(guān)鍵參數(shù)，再將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，綜合判定橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和在荷載作用下的工作性能。

圖3 舟山小干二橋懸索跨主橋靜載試驗(yàn)主要控制斷面(單位：m)

3.1 試驗(yàn)工況和加載效率

根據(jù)規(guī)范[6]規(guī)定，結(jié)合舟山小干二橋懸索跨主橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次靜載試驗(yàn)共設(shè)定5個(gè)試驗(yàn)工況，如表1所示。為確保試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全和順利實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康模瑓⒄瘴墨I(xiàn)[7]，本次靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)荷載按荷載效率進(jìn)行控制，主要工況的荷載效率取值范圍為0.85≤ηs<1.05，索力增量工況的荷載效率取值范圍為0.50≤ηs<0.65。

表1 靜載試驗(yàn)工況和荷載效率

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置主要包括結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及橋面、主塔和主纜的變形(撓度)測(cè)點(diǎn)兩部分。

3.2.1工況1測(cè)點(diǎn)布置

1)應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 在靠小干島側(cè)的2個(gè)主塔塔腳自承臺(tái)往上6m處斷面上縱橋向?qū)ΨQ布置12個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，均采用振弦式應(yīng)變儀測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置和編號(hào)方式如圖4所示。

圖4 塔腳(E—E斷面)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2)變形測(cè)點(diǎn) 塔頂偏位測(cè)點(diǎn)為上游2個(gè)主塔頂各安裝1個(gè)反光棱鏡，共2個(gè)；主纜撓度測(cè)點(diǎn)為在主纜2個(gè)邊跨跨中位置，中跨1/4L，3/8L，1/2L，5/8L，3/4L處各安裝1個(gè)反光棱鏡，共7個(gè)；均采用徠卡1201測(cè)量機(jī)器人測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置和編號(hào)方式如圖5所示。

3.2.2工況2～4測(cè)點(diǎn)布置

由于舟山小干二橋懸索跨主橋的斷面形式通長(zhǎng)一致，因此工況2～4的測(cè)點(diǎn)布置圖相同，僅以工況2的測(cè)點(diǎn)布置圖為例進(jìn)行說(shuō)明。

1)應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 主梁采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，有如圖5a(全鋼結(jié)構(gòu))和圖5b(鋼梁+預(yù)制鋼筋混凝土橋面板)所示2種斷面形式，本次試驗(yàn)選取此兩種典型斷面布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。為較準(zhǔn)確反映斷面受力特性，鋼結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)測(cè)點(diǎn)采用振弦式應(yīng)變計(jì)共計(jì)29個(gè)，混凝土橋面板采用45°應(yīng)變花共計(jì)6片。數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)變花按單條編號(hào)讀數(shù)，分析時(shí)按每片花(3片)合并計(jì)算。測(cè)點(diǎn)布置和編號(hào)方式如圖5所示。

圖5 工況2～4斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2)撓度測(cè)點(diǎn) 中跨撓度測(cè)點(diǎn)按兩側(cè)欄桿和中間隔離欄分為3條縱向測(cè)線，每條測(cè)線按八分點(diǎn)布設(shè)橋面撓度測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)27個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用電子水準(zhǔn)儀配合銦鋼尺測(cè)量，每次測(cè)量的基點(diǎn)均在橋梁伸縮縫外。

3.2.3工況5測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)加載影響線包絡(luò)圖，選取靠近小干島側(cè)主塔附近的上、下游5對(duì)共10根吊桿進(jìn)行索力增量測(cè)試，分別是近小干島側(cè)主塔的邊跨靠第1對(duì)和第2對(duì)，靠近小干島側(cè)主塔的中跨第1～3對(duì)。吊桿編號(hào)為上游SS2，SS1，SM1，SM2，SM3，下游XS2，XS1，XM1，XM2，XM3。測(cè)量?jī)x器為索力動(dòng)測(cè)儀，測(cè)量方法為振動(dòng)頻率法。

3.3 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

鑒于舟山小干二橋?yàn)榭绾４髽?，受海洋天氣影響大，本次荷載試驗(yàn)選取在夜間無(wú)霧、晝夜溫差變化小的2018年3月29日23：00至次日6：00近乎恒溫條件下進(jìn)行。

本次試驗(yàn)均采用對(duì)稱加載方式，單臺(tái)車(chē)輛重30t左右。工況1，2的試驗(yàn)車(chē)輛均為36輛，工況3～5的試驗(yàn)車(chē)輛均為18輛。

正式試驗(yàn)前，組織12輛試驗(yàn)車(chē)對(duì)橋面板進(jìn)行3次預(yù)壓，每次預(yù)壓時(shí)間≥30min，用于消除結(jié)構(gòu)非彈性變形。正式試驗(yàn)時(shí)，分6～8級(jí)加載，4～6級(jí)卸載。加載過(guò)程中，安排專(zhuān)人巡視結(jié)構(gòu)各部位裂縫(焊縫)變化、接頭(后澆帶)拉裂、結(jié)構(gòu)異常響動(dòng)等現(xiàn)象，每次加載和卸載過(guò)程中記錄大氣溫度變化，用于溫度修正。

3.4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次靜載試驗(yàn)的記錄方式為應(yīng)變正值為受壓、應(yīng)變負(fù)值為受拉，撓度正值為下沉、撓度負(fù)值為上抬，主塔偏位正值為沿縱橋向向小干島側(cè)偏移、負(fù)值為沿縱橋向向本島側(cè)偏移。

3.4.1工況1靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析(見(jiàn)圖6和表2)

圖6 工況1靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 工況1滿載下主塔縱向位移對(duì)比

工況1中塔腳截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.76～0.84，均<1，殘余應(yīng)變比范圍為0.06～0.12，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

工況1中主纜撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.79～0.84，均<1，殘余變形比范圍為0.03～0.16，滿足≤0.2要求；主塔塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)為0.54和0.43，均<1，殘余變形比范圍為0.05和0.04，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4.2工況2靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析(見(jiàn)圖7)

圖7 工況2靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

工況2應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.57～0.85，均<1；殘余應(yīng)變比范圍為0.04～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

工況2橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.77～0.85，均<1；殘余變形比范圍為0.03～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4.3工況3靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析(見(jiàn)圖8)

圖8 工況3靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

工況3應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.74～0.86，均<1；殘余應(yīng)變比范圍為0.06～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

工況3橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.75～0.86，均<1；殘余變形比范圍為0.02～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4.4工況4試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖9)

圖9 工況4靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

工況4應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.57～0.85，均<1；殘余應(yīng)變比范圍為0.04～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

工況4橋面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0～0.89，均<1；殘余變形比范圍為0～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4.5工況5索力增量數(shù)據(jù)及分析(見(jiàn)表3)

由表3可得出，在車(chē)輛靜力滿載作用下，實(shí)測(cè)的索力增量均小于理論索力增量且數(shù)值較接近，索力校驗(yàn)系數(shù)均<1，表明吊桿安全系數(shù)富余，結(jié)構(gòu)處于安全可靠狀態(tài)。

表3 索力增量數(shù)據(jù)

3.5 裂(焊)縫和結(jié)構(gòu)異響監(jiān)測(cè)

在靜載試驗(yàn)前后及試驗(yàn)期間，對(duì)試驗(yàn)跨的鋼結(jié)構(gòu)焊縫和混凝土裂縫進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)焊縫脫焊或表面裂紋情況，主要受力結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常響動(dòng)、失穩(wěn)、扭曲、晃動(dòng)等異?，F(xiàn)象，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程結(jié)構(gòu)無(wú)明顯異常現(xiàn)象，試驗(yàn)過(guò)程順利。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)是一個(gè)多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂、斷裂、尺寸變化等物理特性變化時(shí)，其固有頻率、阻尼比、振型圖、動(dòng)力沖擊系數(shù)等動(dòng)參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

動(dòng)載試驗(yàn)是利用車(chē)輛激振方式激起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼比、動(dòng)應(yīng)變等參數(shù)特性，從而宏觀判定橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和成橋質(zhì)量，這是成橋驗(yàn)收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本次動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車(chē)試驗(yàn)2項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，在靜載試驗(yàn)完成后的當(dāng)晚組織進(jìn)行。

4.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是用高靈敏度的拾振器和放大器測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)，通過(guò)對(duì)拾振器拾取的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜和模態(tài)分析，得出橋梁的自振頻率、阻尼比和振型圖。

4.1.1試驗(yàn)方法

2個(gè)邊跨分別按四分點(diǎn)、中跨按八分點(diǎn)，在車(chē)行道靠非機(jī)動(dòng)車(chē)道的兩側(cè)各布設(shè)17個(gè)豎向拾振器，拾取橋梁結(jié)構(gòu)在大地脈動(dòng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)，單次采樣時(shí)間30min，采樣頻率為51.2Hz。分析得出的前5階自振頻率和阻尼比如表4所示，并選取作為成橋驗(yàn)收關(guān)鍵指標(biāo)的前3階振型，如圖10～12所示。

圖10 第1階振型

表4 前5階自振頻率和阻尼比

4.1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖11 第2階振型

圖12 第3階振型

由表4得出，舟山小干二橋懸索跨主橋前5階固有頻率實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值；從圖10～12得出，前3階的實(shí)測(cè)振型圖與理論振型圖形狀吻合較好，表明該橋的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度，成橋狀況與設(shè)計(jì)狀況較接近。

4.2 跑車(chē)試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)方法

本次跑車(chē)試驗(yàn)在橋面無(wú)任何障礙的情況下，選用2輛30t試驗(yàn)載重汽車(chē)分別以30，40，50km/h的均勻速度通過(guò)測(cè)試橋跨，以測(cè)定該橋在各種行車(chē)速度下跨中截面梁底動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程響應(yīng)曲線，如圖13所示。測(cè)試時(shí)實(shí)施交通管制，儀器采樣頻率為100Hz。

圖13 跑車(chē)試驗(yàn)各車(chē)速下動(dòng)應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線

4.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

由圖13得出，舟山小干二橋懸索跨主橋在30，40，50km/h車(chē)速下，實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)分別為1.024，1.031，1.029，參照規(guī)范[8]計(jì)算得出理論沖擊系數(shù)為1.05。實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)小于理論沖擊系數(shù)，表明橋面平整度均較良好，成橋質(zhì)量好。

5 結(jié)語(yǔ)

1)靜載試驗(yàn)中工況1～4的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.57～0.86，均<1，殘余應(yīng)變比范圍為0.04～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2)靜載試驗(yàn)中工況1～4的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0～0.89，均<1；殘余變形比范圍為0～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測(cè)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3)靜載試驗(yàn)中工況1的主塔塔頂偏位校驗(yàn)系數(shù)為0.54和0.43，均<1，殘余變形比范圍為0.05和0.04，滿足≤0.2要求；靜載試驗(yàn)中工況5的實(shí)測(cè)索力增量均小于理論索力增量，索力校驗(yàn)系數(shù)均<1，表明吊桿安全系數(shù)富余，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4)脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)定的前5階固有頻率實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值，前3階的實(shí)測(cè)振型圖與理論振型圖形狀吻合較好；以30，40，50km/h跑車(chē)試驗(yàn)測(cè)定的沖擊系數(shù)均小于理論沖擊系數(shù)。這表明舟山小干二橋懸索跨主橋成橋狀況與設(shè)計(jì)狀況較接近，橋面平整度良好，成橋質(zhì)量好。