重庆朝天门长江大桥成桥荷载试验研究

2015-12-26方华兵李鸥

铁道建筑 2015年2期

关键词：朝天门挠度桥面

方华兵，李鸥

(1.中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034;2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034)

重庆朝天门长江大桥成桥荷载试验研究

方华兵1，2，李鸥1，2

(1.中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034;2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034)

重庆朝天门长江大桥为主跨552 m的中承式连续钢桁系杆拱桥，为世界上跨度最大的拱桥，采用公轨两用的双层桥面布置，具有结构新颖、荷载重、跨度大等特点。本文介绍了该桥成桥荷载试验过程，将试验结果与有限元计算结果进行比较分析。试验结果表明，该桥在试验荷载作用下具有足够的强度和刚度，桥梁的自振特性及在汽车荷载作用下结构的动力响应均满足设计和规范要求。

连续钢桁拱桥公轨两用荷载试验

1 工程概述

重庆朝天门长江大桥(以下简称朝天门大桥)为(190+552+190)m的三跨中承式连续钢桁系杆拱桥，为世界上跨度最大的拱桥(见图1)。两片主桁间距29 m，两侧边跨为变高度桁梁，中跨为钢桁系杆拱。中跨布置有上下两层系杆，上层钢结构系杆端部与拱肋下弦节点相连接，下层系杆与加劲腿处中弦及边跨下弦贯通，下层系杆设置了辅助系索，锚固于系杆端节点处。全桥采用变节间布置，共有12，14，16 m等3种节间形式。

图1 朝天门大桥结构布置(单位:m)

朝天门大桥通过中跨上下层桥面设置的系杆来平衡拱的推力，构成无推力中承式钢桁架系杆拱桥。纵向支承体系布置为江北侧中支点(P7墩)设置固定铰支座，其余各墩均为活动铰支座;横向支承体系布置为中支点均为固定支座，边支点为横向活动支座，边支点下横梁中心设置两个横向限位支座［1］。朝天门大桥为双层交通布置:上层桥面为双向6车道和两侧人行道，桥面宽度36.5 m;下层桥面中间为双线城市轻轨，两侧为双向两车道。其主要设计活载为:汽车荷载为公路—Ⅰ级8车道;人群荷载2.5 kN/m2;轨道交通荷载采用B型地铁车，5辆车编组，每辆车长19.52 m，共4轴，轴间距为(2.3+10.3+2.3)m，车辆最大轴重140 kN。

荷载试验是检验桥梁性能及工作状态(如结构的强度、刚度)最直接有效的方法［2］，一般大跨度桥梁在竣工通车前均需进行成桥荷载试验，以对桥梁的工作状态和承载力进行检验和鉴定。文献［3］对主跨为360 m的钢管混凝土拱桥进行了荷载试验研究，文献［4］至文献［8］对大跨度的斜拉桥和悬索桥进行了荷载试验研究。本文对朝天门长江大桥主桥超大跨度连续钢桁拱桥进行了荷载试验研究。通过静动载试验，测试在试验荷载作用下桥梁结构整体或各部位的静动力响应，评判桥梁结构的实际承载能力和工作状况，验证关键设计方法和理论计算的正确性与合理性，为大跨度拱桥的设计积累科学资料。

2 荷载试验主要内容

1)静载试验:在桥梁结构上施加与设计活载基本相当的静荷载，测试桥梁结构在各级试验荷载作用下的挠度、应力等效应值，从而确定桥梁结构承载能力与设计期望值是否相符。静载试验项目主要包括测试主桁结构的杆件应力、吊索索力、主桁和桥面的挠度及梁端支座位移等。

2)动载试验:利用环境激励或试验车辆激励方法激起桥梁结构振动，测试桥梁结构的自振特性和动力响应，以判断桥梁结构动力性能。

由于大桥竣工时，轨道交通尚未通车，大桥轨道交通的活载效应换算成汽车荷载进行等效加载，动载试验中的强迫振动主要测试汽车荷载下的动力响应。

3 计算模型

朝天门大桥MIDAS有限元空间计算模型包括5 055个空间梁单元，68个空间桁架单元，总节点数为2 732个。试验前计算出各控制截面或杆件设计活载效应，然后根据影响线，用30 t标准载重车辆加载试算，计算主桥各个试验工况下相应测试断面或杆件应力和变形，使其满足规定的加载效率。

在试验实施前，对各个试验工况进行详细的验算，除了主要控制的杆件外，对同一工况下全桥其他部位杆件、桥面系的受力也进行分析，制订详细的加载方案，防止结构局部出现超载。根据静力加载工况，试验前在上层桥面、下层预留车道的相应位置，标记试验加载车辆的轮位。进行加载试验时，严格按照预先标记好的轮位进行分级加载和卸载。

4 静载试验结果及分析［9］

4.1 静载试验工况

主桥试验工况根据全桥结构体系的主要内力控制断面确定。每个测试断面的加载工况，根据该断面活载效应最大的杆件控制加载效率，针对具体桁架杆件进行加载。通过对实桥各控制断面的应力、位移进行测试，与理论值进行比较，进而判断分析桥梁结构的承载能力和工作状况。主要试验工况的荷载效率如表1所示。

表1 主桥静力试验加载工况和加载效率

4.2 静载试验结果及分析

1)位移。主要试验工况的桥面和拱桁挠度测试结果见图2至图4。在工况2试验荷载作用下，边跨桥面最大实测挠度为-79.1mm，理论值为-99.7 mm，校验系数为0.79。在工况7试验荷载作用下，中跨桥面L/2最大实测挠度为-153.3 mm，理论值为-184.9 mm，校验系数为0.83。各测点挠度测试结果均小于计算值，挠度校验系数在0.71～0.94之间，桥梁结构的竖向刚度满足设计要求。