方華兵，李鷗

(1.中鐵大橋局集團橋科院有限公司，湖北武漢430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康湖北省重點實驗室，湖北武漢430034)

重慶朝天門長江大橋成橋荷載試驗研究

方華兵1，2，李鷗1，2

(1.中鐵大橋局集團橋科院有限公司，湖北武漢430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康湖北省重點實驗室，湖北武漢430034)

重慶朝天門長江大橋為主跨552 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。本文介紹了該橋成橋荷載試驗過程，將試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果進行比較分析。試驗結(jié)果表明，該橋在試驗荷載作用下具有足夠的強度和剛度，橋梁的自振特性及在汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應均滿足設計和規(guī)范要求。

連續(xù)鋼桁拱橋 公軌兩用 荷載試驗

1 工程概述

重慶朝天門長江大橋(以下簡稱朝天門大橋)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，下層系桿設置了輔助系索，錨固于系桿端節(jié)點處。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 朝天門大橋結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

朝天門大橋通過中跨上下層橋面設置的系桿來平衡拱的推力，構(gòu)成無推力中承式鋼桁架系桿拱橋。縱向支承體系布置為江北側(cè)中支點(P7墩)設置固定鉸支座，其余各墩均為活動鉸支座;橫向支承體系布置為中支點均為固定支座，邊支點為橫向活動支座，邊支點下橫梁中心設置兩個橫向限位支座［1］。朝天門大橋為雙層交通布置:上層橋面為雙向6車道和兩側(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)為雙向兩車道。其主要設計活載為:汽車荷載為公路—Ⅰ級8車道;人群荷載2.5 kN/m2;軌道交通荷載采用B型地鐵車，5輛車編組，每輛車長19.52 m，共4軸，軸間距為(2.3+10.3+2.3)m，車輛最大軸重140 kN。

荷載試驗是檢驗橋梁性能及工作狀態(tài)(如結(jié)構(gòu)的強度、剛度)最直接有效的方法［2］，一般大跨度橋梁在竣工通車前均需進行成橋荷載試驗，以對橋梁的工作狀態(tài)和承載力進行檢驗和鑒定。文獻［3］對主跨為360 m的鋼管混凝土拱橋進行了荷載試驗研究，文獻［4］至文獻［8］對大跨度的斜拉橋和懸索橋進行了荷載試驗研究。本文對朝天門長江大橋主橋超大跨度連續(xù)鋼桁拱橋進行了荷載試驗研究。通過靜動載試驗，測試在試驗荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)整體或各部位的靜動力響應，評判橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載能力和工作狀況，驗證關鍵設計方法和理論計算的正確性與合理性，為大跨度拱橋的設計積累科學資料。

2 荷載試驗主要內(nèi)容

1)靜載試驗:在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設計活載基本相當?shù)撵o荷載，測試橋梁結(jié)構(gòu)在各級試驗荷載作用下的撓度、應力等效應值，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力與設計期望值是否相符。靜載試驗項目主要包括測試主桁結(jié)構(gòu)的桿件應力、吊索索力、主桁和橋面的撓度及梁端支座位移等。

2)動載試驗:利用環(huán)境激勵或試驗車輛激勵方法激起橋梁結(jié)構(gòu)振動，測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動力響應，以判斷橋梁結(jié)構(gòu)動力性能。

由于大橋竣工時，軌道交通尚未通車，大橋軌道交通的活載效應換算成汽車荷載進行等效加載，動載試驗中的強迫振動主要測試汽車荷載下的動力響應。

3 計算模型

朝天門大橋MIDAS有限元空間計算模型包括5 055個空間梁單元，68個空間桁架單元，總節(jié)點數(shù)為2 732個。試驗前計算出各控制截面或桿件設計活載效應，然后根據(jù)影響線，用30 t標準載重車輛加載試算，計算主橋各個試驗工況下相應測試斷面或桿件應力和變形，使其滿足規(guī)定的加載效率。

在試驗實施前，對各個試驗工況進行詳細的驗算，除了主要控制的桿件外，對同一工況下全橋其他部位桿件、橋面系的受力也進行分析，制訂詳細的加載方案，防止結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)超載。根據(jù)靜力加載工況，試驗前在上層橋面、下層預留車道的相應位置，標記試驗加載車輛的輪位。進行加載試驗時，嚴格按照預先標記好的輪位進行分級加載和卸載。

4 靜載試驗結(jié)果及分析［9］

4.1 靜載試驗工況

主橋試驗工況根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)體系的主要內(nèi)力控制斷面確定。每個測試斷面的加載工況，根據(jù)該斷面活載效應最大的桿件控制加載效率，針對具體桁架桿件進行加載。通過對實橋各控制斷面的應力、位移進行測試，與理論值進行比較，進而判斷分析橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和工作狀況。主要試驗工況的荷載效率如表1所示。

表1 主橋靜力試驗加載工況和加載效率

4.2 靜載試驗結(jié)果及分析

1)位移。主要試驗工況的橋面和拱桁撓度測試結(jié)果見圖2至圖4。在工況2試驗荷載作用下，邊跨橋面最大實測撓度為-79.1mm，理論值為-99.7 mm，校驗系數(shù)為0.79。在工況7試驗荷載作用下，中跨橋面L/2最大實測撓度為-153.3 mm，理論值為-184.9 mm，校驗系數(shù)為0.83。各測點撓度測試結(jié)果均小于計算值，撓度校驗系數(shù)在0.71～0.94之間，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度滿足設計要求。

圖2 工況2橋面撓度實測值

工況2、工況4和工況5試驗荷載作用下，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))，對應試驗工況下支座理論位移值分別為-34.5，42.5和25.3 mm，校驗系數(shù)分別為0.79，0.75和0.70。

2)應力。主要試驗工況下，關鍵斷面桿件應力的測試結(jié)果見表2。靜載試驗拱桁桿件的應力校驗系數(shù)在0.61～0.94之間，結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求。

圖3 工況4橋面和拱桁撓度實測值

圖4 工況7橋面和拱桁撓度實測值

表2 主要試驗工況的應力測試結(jié)果

3)索力。工況4和工況5試驗荷載作用下受力較大吊索的索力測試結(jié)果見圖5。索力實測值與理論值吻合較好。

圖5 索力測試結(jié)果

5 動載試驗結(jié)果及分析

5.1 自振特性

根據(jù)有限元計算結(jié)果，朝天門大橋橫向一階和豎向一階的振型見圖6。

圖6 有限元振型計算結(jié)果

通過對朝天門長江大橋主橋的脈動試驗數(shù)據(jù)進行時域及頻域分析，得出自振特性參數(shù)實測值見表3。

表3 朝天門大橋自振特性測試結(jié)果

從表3可以看出，朝天門大橋的實測豎向基頻為0.51 Hz，振型為反對稱彎曲振動+全橋縱向漂移耦合的振型，計算頻率為0.34 Hz。實測橫向基頻為0.25 Hz，振型為對稱彎曲振動，計算頻率為0.22 Hz。豎向基頻和橫向基頻的實測值均大于計算值，表明橋梁豎、橫向動力剛度滿足設計要求。

5.2 強迫振動

一輛30 t載重試驗車在速度60 km/h的跑車工況下，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。一輛車在跑車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載重試驗車在速度60 km/h的跑車工況下，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。兩輛車在跑車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原地跳車工況下，豎向振幅最大值為0.76 mm。

朝天門大橋?qū)崪y沖擊系數(shù)最大值為0.05。朝天門大橋豎向基頻為0.51 Hz，根據(jù)公路橋規(guī)［10］，當豎向基頻f＜1.5 Hz時，沖擊系數(shù)μ設計取值為0.05。因此，實橋汽車引起的沖擊系數(shù)滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

朝天門大橋荷載試驗測試結(jié)果表明，設計荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度滿足設計及規(guī)范要求，橋梁工作狀況處于彈性范圍，承載能力滿足設計要求。汽車荷載引起的強迫振動實測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，高級工程師。