空間曲梁單邊懸索橋靜載試驗方法研究

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橋梁靜荷載試驗是結構試驗中最基本和最重要的試驗，在結構試驗中起主導作用。靜載試驗是用物理力學方法測定和研究結構在最不利位置作用下的反應，分析判定結構的工作狀態與受力狀況。橋梁結構靜載試驗是一種主要用于驗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，然后測試結構的應變、位移、索力等其他試驗項目，從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用功能。

1 工程概況

上海國際旅游度假區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構，主體結構分為主橋、副橋2部分，主橋為異形鋼箱梁構造，主橋外緣通過吊索與主纜連接，副橋為“Y”形臂構造，上肢與主橋內緣連接，下肢支撐于張拉環索，環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；內側副橋橋面中心線位于R=31.50 m的圓曲線上，內側主梁全長70 m，橋面寬3 m。中跨主纜跨徑L1=36 m，邊跨跨徑L2=27 m。

2 靜載試驗意義和目的

迪士尼景觀橋作為一種新型橋梁，在國內首次應用，目前國內尚無成熟經驗可借鑒。因此通過靜載試驗對橋梁承載能力及工作性能進行驗證顯得尤為重要。通過靜載試驗還能夠驗證設計理論及計算方法是否正確，對完善空間懸索人行橋的設計理論、計算方法以及施工方案有重要作用。

該橋通過靜載試驗，預期達到以下目的[1-3]：

1）驗證橋梁在使用荷載組合下的凈空高度；

2）測定橋梁在設計荷載作用下的吊索力、背索力、鋼箱梁應力，并與理論計算值進行對比；

3）試驗結果用于檢驗結構理論計算和實際狀態間的偏差，驗證橋梁承載力與可靠性。測量數據作為橋梁最終驗收的依據；

4）靜載試驗結果可作為動載試驗方案編制的依據；

5）為科學研究積累試驗資料，以利于進一步完善此類橋梁的設計、施工、試驗、驗收等工作。

3 橋梁靜載試驗驗證內容

橋梁試驗荷載效應計算是在設計內力計算結果的基礎上，確定加載位置、加載等級以及在試驗荷載作用下結構反應大小的過程，也是一個反復試算的過程。

本工程為大跨度空間懸索鋼結構橋，考慮到本工程結構形式特殊且類似工程較少，擬通過靜載試驗驗證其安全性與適用性。

3.1 安全性驗證

通過理論計算分析，本工程有如下最不利承載能力狀態：

1）當活荷載沿全橋滿載分布時，橋梁背索力與絕大部分鋼結構應力將達到最大值。

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

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

3.2 適用性驗證

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

4 加載方案研究

4.1 設計活荷載

迪士尼景觀橋設計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。

設計活荷載分布如圖1所示。

圖1 設計活荷載分布模式

模式1～模式4的設計活荷載，內側橋板為4.80 kN/m2，外側橋板為4.30 kN/m2；模式5～模式7的設計活荷載，內側橋板為4.10 kN/m2，外側橋板為3.80 kN/m2；模式8的設計活荷載，內側橋板為3.60 kN/m2，外側橋板為3.30 kN/m2；模式9的設計活荷載，內側橋板為3.00 kN/m2，外側橋板為2.80 kN/m2。

4.2 加載方案

由于橋梁靜載試驗為鑒定荷載試驗，試驗荷載原則上盡量采用與設計標準荷載相同的荷載，但由于客觀條件的限制，實際采用的試驗荷載很難與設計標準荷載一致。

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工作量，而且提高了荷載布置均勻性，為最大限度地反映設計荷載布置情況創造了條件。

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

表1 試驗荷載情況一覽（單位：kN/m2）

為提高試驗的安全性，并獲得加載過程橋梁結構在不同荷載作用下的受力反應，采用分級加載方式。試驗時先驗證滿布荷載，然后驗證偏載，加載時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 監測內容與測點布置選擇

橋梁靜載過程中需要通過監測相關數據來驗證橋梁結構受力反應。從橋梁安全性和適用性驗證目的出發，靜載試驗過程中的監測內容有主橋、副橋變形、鋼箱梁應變、主纜索力、吊索索力、背索索力、塔頂位移等[4-6]。

應變觀測：在試驗過程中對每個工況的每級加載應變進行數據采集，應變觀測應包括初應變、每個工況對應的彈性應變、殘余應變等，并及時與理論值進行對比分析。

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 加載試驗現場

索力觀測：在試驗過程中對每個工況的每級加載索力進行數據采集，并將檢測數據與理論值進行對比分析。

橋梁變形：靜載試驗過程中對索塔塔頂、橋梁結構進行空間位移和水平沉降監測。

測量設備擬采用全站儀、水準儀、索力動測儀、振弦式應變計。觀測記錄應記錄好時間、溫度、工況、特殊情況等詳細情況[7-9]。

主副橋及鋼箱梁的位移測點與應力傳感器布置如圖5～圖7所示。

圖5 主橋應力測點布置示意

圖6 副橋“Y”形臂應力及位移測點布置示意

6 結語

荷載試驗是驗證橋梁承載力和結構性能的手段，也是橋梁質量驗收的重要依據。因此橋梁靜載試驗方案直接關系到試驗是否能達到靜載試驗的目的。迪士尼景觀橋為新型空間懸索人行橋，通過深入研究橋梁結構特點并結合靜載試驗目的，制訂了水袋分級加載的靜載方案，并明確了監測內容及監測點的布置，靜載方案全面地反映了試驗加載和監測全過程，為日后其他類似橋梁提供了借鑒[10]。

圖7 鋼箱梁應力及位移測點布置示意