曾德禮

(1.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 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，使其較其他結構形式更適合修建大跨度橋梁，同時懸索橋還具有跨徑愈大，材料耗費愈少、造價愈低的優(yōu)點，因此，懸索橋被世界各國廣泛應用于特大跨度橋梁建設之中。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為960 m+1 991 m+960 m雙塔三跨懸索橋，國內最大跨度的懸索橋潤揚長江公路大橋為主跨1 490 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，目前國內已建成3座，其中泰州長江大橋、馬鞍山長江大橋為三塔二跨懸索橋，武漢鸚鵡洲長江大橋為三塔四跨懸索橋。作為新的結構形式，對三塔懸索橋其進行成橋靜動載試驗驗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-混凝土疊合結構，邊塔為混凝土結構。中塔下橫梁及兩邊塔下橫梁上設有主梁豎向支座和橫向抗風支座，同時，在兩邊塔下橫梁上設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，設計荷載為公路-I級，設計車速為60 km/h，大橋于2014年12月28日正式建成通車。

2 三塔四跨懸索橋結構特點

1) 中塔受力復雜。本橋的主纜從錨碇起經過一個邊跨和一個主跨后才到達中塔，主纜對中塔塔頂的約束相對較弱，在荷載作用下，中塔承受的水平力及其兩側主纜的水平力將根據剛度比通過變形來達到平衡，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[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力分布情況是近年來鋼-混組合梁受力情況研究的重點。

3) 幾何非線性顯著。本橋具有塔柱高、跨度大、結構柔的特點。主跨跨度大，結構整體幾何非線性影響明顯?；钶d內力計算時應考慮結構恒載的初始內力狀態(tài)對結構剛度和幾何非線形分析的影響[4]。

4) 溫度效應復雜。溫度場對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的復雜程度遠大于一般的大跨度懸索橋。

5) 動力特性復雜。本橋跨度大，塔柱高，樁基和土之間的相互作用對結構的動力影響大，因此，樁土效應不能忽略。同時由于橋梁跨度大，橋梁基頻低，試驗時需選用高精度拾振器測試其結構自振頻率。

3 靜動載試驗內容及方法

3.1 靜載試驗測試內容

橋梁成橋靜動載試驗是橋梁驗收的重要依據，目前橋梁靜載試驗內容主要根據JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》確定。依照該規(guī)范，懸索橋靜載試驗測試內容主要包括：①加勁梁最大正彎矩截面應力及撓度；②主塔塔頂縱向最大水平位移及塔腳截面應力；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項為必測工況，⑤～⑥項為選測工況。綜合本橋結構特點，建議試驗時增加以下測試內容：

1) 溫度測試。本橋為大跨度橋梁，具有塔高、跨度大的特點，結構變位受溫度影響顯著，計算結果表明，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。本次試驗加載車輛多，加載時間長，特別是跨中最大撓度加載工況的加載車輛達54臺車，加載時長近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，試驗時需測試環(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-混接頭處應力測試。鸚鵡洲長江大橋中塔采用鋼-混疊合結合的結構，這種新穎的混合塔柱受力復雜，試驗時除了對規(guī)范要求的塔腳截面應力測試外，還需對鋼-混接頭位置附近的鋼結構、混凝土結構的應力分別進行測試。

3) 伸縮縫位移測試。伸縮縫位移直接關系到行車的舒適性，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，試驗時需對梁端伸縮縫位移進行測試。

4) 中塔扭轉效應測試。由于兩主跨的跨度較大，導致中塔的扭轉效應明顯大于兩塔懸索橋，因此在試驗過程中應對中塔的扭轉效應進行測試[5]。

5) 支座工作狀態(tài)觀測。本橋主梁采用四跨簡支鋼-混結合梁，主梁在邊、中塔及邊墩處均設置豎向抗壓支座，在中塔、邊墩處設縱向固定支座。由于中塔處支座豎向和縱向均進行了約束，導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JTG/T J21-01-2015 《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的要求，成橋靜動載試驗以設計荷載作為控制荷載，試驗加載效率宜控制在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，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到85%時，主跨跨中撓度的加載效率會超過105%)。根據資料調查，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)的成橋荷載試驗時出于謹慎考慮，均對部分工況(如橋塔塔頂順橋向最大位移、錨跨索股最大索力、塔頂最大扭轉等)的加載效率進行了適當調整，實際加載效率在50%～80%之間，從而達到既能保障橋梁結構安全，又使靜載試驗仍能滿足檢驗設計、驗證橋梁結構工作性能的目的?？紤]到實際運營時大量荷載同時作用于橋梁結構上出現的概率較低，經質監(jiān)部門和橋梁管養(yǎng)單位同意，本次試驗加載工況的加載效率適當予以了降低，實際加載效率如下：

1) 主梁最大內力及撓度加載工況。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 動載試驗

動載試驗分為脈動試驗和強迫振動試驗。其中脈動試驗在空載的情況下測試橋梁的自振頻率、阻尼比和結構陣型；強迫振動試驗模擬車輛的實際運營情況，分為跑車試驗、會車試驗和跳車試驗，分別測試橋梁在車輛荷載作用下的強迫振動響應。

鸚鵡洲長江大橋主跨跨度大，橋梁基頻低，理論計算的一階自振頻率為0.097 Hz，試驗時選用991型超低頻測振儀測試其結構自振頻率。本橋為8車道，車道折減系數為0.5，跑車試驗和會車試驗時采用4臺300 kN加載車進行試驗，跳車試驗采用1臺300 kN的加載車進行試驗。動撓度采用結構動態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)(SDDMS)進行測試。

4 靜載試驗主要測試結果

4.1 主梁撓度

本次試驗對漢陽側主跨跨中最大撓度和漢陽側主跨1/4跨最大撓度分別進行了加載，加載車輛分別為54臺和48臺。撓度測試選用高精度、高效率的橋梁撓度儀[6]進行測試，實現了加載到位后3 s內完成全橋撓度測點的測試工作，有效地降低了測試過程中溫度變化和人為轉站產生的測試誤差，提高了試驗效率。對主跨跨中最大撓度加載時，實測組合梁撓度最大值為2 005.6 mm，計算值為2 095.91 mm，校驗系數為0.96；對主跨1/4跨最大撓度加載時，實測組合梁撓度最大值為1 574.5 mm，計算值為1 721.6 mm，校驗系數為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計荷載時的撓度值為2 113.4 mm，撓跨比f/L為1/402.2，表明結構剛度滿足設計規(guī)范要求。

圖1 漢陽側主跨跨中撓度加載工況主梁撓度結果

撓度加載時主要撓度測點的撓度校驗系數在0.91～0.96之間，接近規(guī)范中撓度校驗系數常數值(0.75～1.0)的上限。經查證，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時主要撓度測點的撓度校驗系數分為介于0.96～1.0之間，0.92～1.0[7]之間及0.99～1.0[8]之間，與本橋的撓度校驗系數相當。

4.2 主塔偏位

試驗中對中塔及邊塔上下游塔頂偏位進行了測試。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果

由表1可見，中塔塔頂上下游實測值分別為449 mm和462 mm，計算值為475 mm，校驗系數在0.95～0.97之間，校驗系數均小于1，表明主塔整體抗彎剛度滿足設計及規(guī)范要求。

規(guī)范中未給出塔偏校驗系數的常數值，經查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗荷載作用下，塔偏校驗系數在0.90～0.98之間，與本橋的塔偏校驗系數相當。

4.3 主梁及主塔應力

在靜載試驗荷載作用下，各測試工況作用下組合梁各應力測點應變校驗系數為0.62～0.88，主塔各應力測點應變校驗系數為0.56～0.88，校驗系數均小于1，表明主梁和主塔的整體抗彎強度滿足設計及規(guī)范要求。

規(guī)范中鋼結構的應力校驗系數常值為0.75～1.0，預應力混凝土橋應力校驗系數常值為0.60～0.90。實測應力校驗系數較規(guī)范常值略微偏小，經查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗荷載作用下，主梁應力校驗系數為0.60～1.05，主塔應力校驗系數為0.62～1.04，本橋應力實測校驗系數基本在馬鞍山長江大橋應力校驗系數范圍內。

4.4 吊桿索力增量

理論活載計算最大索力增量為中塔附近62號索(62sa，62xa，62sb，62xb)，4根索的實測索力增量分別為196，205，181及191 kN，計算值為290 kN，索力校驗系數為0.62～0.71，實測值小于計算值，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系數的常數值，經查閱資料，馬鞍山長江大橋在靜載試驗荷載作用下，索力增量校驗系數為0.61～1.03，本橋吊桿索力增量實測校驗系數基本在馬鞍山長江大橋吊桿索力實測校驗系數范圍內。

4.5 其他測試成果

在靜載試驗過程中，實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，對行車的舒適性影響較小。試驗中對加載過程中的主梁、主塔及支座等關鍵部位進行了觀測，觀測過程中未發(fā)現主梁、主塔關鍵部位產生裂縫，各支座工作正常，橋梁其它構件均未出現異常情況。

5 動載試驗結果與分析

5.1 自振特性分析

鸚鵡洲長江大橋為大跨度柔性結構[9-10]，表2為前十階脈動試驗的自振頻率測試結果。結構前十階自振頻率為0.097～0.261 Hz，實測自振頻率為0.103～0.310 Hz，實測值均大于計算值，表明結構的整體動力剛度滿足要求。

表2 鸚鵡洲長江大橋自振特性

5.2 強迫振動試驗結果分析

采用4臺車進行跑車試驗和會車試驗，跑車工況下，主梁實測豎向振幅最大值為6.04 mm，發(fā)生在以50 km/h跑車時主梁跨中截面測點處；會車工況下，主梁豎向振幅最大值為4.46 mm，發(fā)生在以60 km/h行車時主跨跨中截面測點處。

跑車試驗和會車試驗時，結構受迫振動頻率約在3 Hz左右，實測自振頻率在0.103～0.310 Hz之間，運營車輛的引發(fā)的受迫振動頻率與結構自振頻率相差很大，不會出現共振現象。實測橋梁沖擊系數平均值為0.03，沖擊系數小于JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規(guī)范》的設計值0.05。

6 結論

1) 對三塔四跨懸索橋靜動載試驗的測試內容，在JTG/T J21-01—2015 《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》規(guī)定的測試內容的基礎上，建議增加溫度測試、中塔鋼-混接頭處應力測試、伸縮縫位移測試及中塔扭轉效應測試等內容。

2) 對三塔四跨懸索橋靜動載試驗的加載效率予以適當降低，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構校驗系數與規(guī)范常數值、馬鞍山長江大橋、泰州長江大橋及陽邏長江大橋的實測結果進行了對比分析，供其他類似橋梁參考。

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