三塔四跨悬索桥承载能力研究

2018-04-23曾德礼

交通科技 2018年2期

曾德礼

(1.中铁大桥科学研究院有限公司武汉 430034； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉 430034)

悬索桥是大跨度桥梁的主要形式之一，因其主要杆件受拉力，利用效率较高，使其较其他结构形式更适合修建大跨度桥梁，同时悬索桥还具有跨径愈大，材料耗费愈少、造价愈低的优点，因此，悬索桥被世界各国广泛应用于特大跨度桥梁建设之中。传统的大跨度悬索桥多为双塔悬索桥，如目前世界最大跨度的悬索桥明石海峡大桥为960 m+1 991 m+960 m双塔三跨悬索桥，国内最大跨度的悬索桥润扬长江公路大桥为主跨1 490 m的双塔单跨悬索桥。大跨度三塔悬索桥作为悬索桥发展的最新成果，目前国内已建成3座，其中泰州长江大桥、马鞍山长江大桥为三塔二跨悬索桥，武汉鹦鹉洲长江大桥为三塔四跨悬索桥。作为新的结构形式，对三塔悬索桥其进行成桥静动载试验验证其承载能力非常有必要[1]。

1 工程概况

武汉鹦鹉洲长江大桥主桥采用225 m+2×850 m+225 m三塔四跨钢-混凝土结合梁悬索桥。主梁采用双铰式支承体系，中塔为钢-混凝土叠合结构，边塔为混凝土结构。中塔下横梁及两边塔下横梁上设有主梁竖向支座和横向抗风支座，同时，在两边塔下横梁上设有纵向液压阻尼装置。武汉鹦鹉洲长江大桥是武汉市首座8车道长江大桥，设计荷载为公路-I级，设计车速为60 km/h，大桥于2014年12月28日正式建成通车。

2 三塔四跨悬索桥结构特点

1) 中塔受力复杂。本桥的主缆从锚碇起经过一个边跨和一个主跨后才到达中塔，主缆对中塔塔顶的约束相对较弱，在荷载作用下，中塔承受的水平力及其两侧主缆的水平力将根据刚度比通过变形来达到平衡，因此中塔本身刚度的大小将直接影响到多塔连跨悬索桥全桥的变形和受力特点[2]。

2) 钢-混组合梁。钢-混组合梁是钢梁和所支承的钢筋混凝土板通过抗剪连接件组合成一个整体而共同工作的梁。组合梁能更好地发挥钢的抗拉性能和混凝土的抗压性能[3]，而钢-混组合梁中钢材和混凝土的应力分布情况是近年来钢-混组合梁受力情况研究的重点。

3) 几何非线性显著。本桥具有塔柱高、跨度大、结构柔的特点。主跨跨度大，结构整体几何非线性影响明显。活载内力计算时应考虑结构恒载的初始内力状态对结构刚度和几何非线形分析的影响[4]。

4) 温度效应复杂。温度场对超大跨度悬索桥的影响显著，另外，主桥采用了钢材和混凝土2种不同传热属性的材料，使得本桥的温度场分布和效应的复杂程度远大于一般的大跨度悬索桥。

5) 动力特性复杂。本桥跨度大，塔柱高，桩基和土之间的相互作用对结构的动力影响大，因此，桩土效应不能忽略。同时由于桥梁跨度大，桥梁基频低，试验时需选用高精度拾振器测试其结构自振频率。

3 静动载试验内容及方法

3.1 静载试验测试内容

桥梁成桥静动载试验是桥梁验收的重要依据，目前桥梁静载试验内容主要根据JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》确定。依照该规范，悬索桥静载试验测试内容主要包括：①加劲梁最大正弯矩截面应力及挠度；②主塔塔顶纵向最大水平位移及塔脚截面应力；③塔、梁体混凝土裂缝；④最不利吊杆索力增量；⑤主缆锚跨索股最大张力增量；⑥加劲梁梁端最大纵向位移漂移。其中①-④项为必测工况，⑤～⑥项为选测工况。综合本桥结构特点，建议试验时增加以下测试内容：

1) 温度测试。本桥为大跨度桥梁，具有塔高、跨度大的特点，结构变位受温度影响显著，计算结果表明，环境温度每升高1 ℃，主梁主跨跨中下挠19 mm，塔偏向中跨偏位2 mm。本次试验加载车辆多，加载时间长，特别是跨中最大挠度加载工况的加载车辆达54台车，加载时长近30 min，加载前后的温度变化直接影响挠度和塔偏的测试精度，因此，试验时需测试环境、桥梁的温度场。温度场测试包括塔、组合梁、主缆、吊索、大气5部分的温度。

2) 中塔钢-混接头处应力测试。鹦鹉洲长江大桥中塔采用钢-混叠合结合的结构，这种新颖的混合塔柱受力复杂，试验时除了对规范要求的塔脚截面应力测试外，还需对钢-混接头位置附近的钢结构、混凝土结构的应力分别进行测试。

3) 伸缩缝位移测试。伸缩缝位移直接关系到行车的舒适性，为降低活载作用下的伸缩缝位移，本桥采用纵向半漂浮体系，试验时需对梁端伸缩缝位移进行测试。

4) 中塔扭转效应测试。由于两主跨的跨度较大，导致中塔的扭转效应明显大于两塔悬索桥，因此在试验过程中应对中塔的扭转效应进行测试[5]。

5) 支座工作状态观测。本桥主梁采用四跨简支钢-混结合梁，主梁在边、中塔及边墩处均设置竖向抗压支座，在中塔、边墩处设纵向固定支座。由于中塔处支座竖向和纵向均进行了约束，导致该处支座受到的竖向力和剪力均较大，加载过程中需观测各支座是否工作正常。

3.2 加载效率的确定

依照JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》的要求，成桥静动载试验以设计荷载作为控制荷载，试验加载效率宜控制在0.85～1.05之间。由于本桥跨度较大，规范规定的部分主要工况的加载效率满足规范要求时，其他主要工况的加载效率可能超过规范限值(如主塔顺桥向最大偏位的加载效率达到85%时，主跨跨中挠度的加载效率会超过105%)。根据资料调查，在马鞍山长江大桥(主跨2×1 080 m三塔两跨悬索桥)、泰州大桥(主跨2×1 080 m三塔两跨悬索桥)及武汉阳逻长江大桥(主跨1 280 m的双塔悬索桥)的成桥荷载试验时出于谨慎考虑，均对部分工况(如桥塔塔顶顺桥向最大位移、锚跨索股最大索力、塔顶最大扭转等)的加载效率进行了适当调整，实际加载效率在50%～80%之间，从而达到既能保障桥梁结构安全，又使静载试验仍能满足检验设计、验证桥梁结构工作性能的目的。考虑到实际运营时大量荷载同时作用于桥梁结构上出现的概率较低，经质监部门和桥梁管养单位同意，本次试验加载工况的加载效率适当予以了降低，实际加载效率如下：

1) 主梁最大内力及挠度加载工况。加载效率控制在80%～100%之间。

2) 吊索索力最大增量加载工况。加载效率控制在80%～100%之间。

3) 桥塔塔顶顺桥向最大位移、锚跨索股最大索力、梁端纵向最大偏位加载工况：加载效率控制在50%～70%之间。

3.3 动载试验

动载试验分为脉动试验和强迫振动试验。其中脉动试验在空载的情况下测试桥梁的自振频率、阻尼比和结构阵型；强迫振动试验模拟车辆的实际运营情况，分为跑车试验、会车试验和跳车试验，分别测试桥梁在车辆荷载作用下的强迫振动响应。

鹦鹉洲长江大桥主跨跨度大，桥梁基频低，理论计算的一阶自振频率为0.097 Hz，试验时选用991型超低频测振仪测试其结构自振频率。本桥为8车道，车道折减系数为0.5，跑车试验和会车试验时采用4台300 kN加载车进行试验，跳车试验采用1台300 kN的加载车进行试验。动挠度采用结构动态位移监测系统(SDDMS)进行测试。

4 静载试验主要测试结果

4.1 主梁挠度

本次试验对汉阳侧主跨跨中最大挠度和汉阳侧主跨1/4跨最大挠度分别进行了加载，加载车辆分别为54台和48台。挠度测试选用高精度、高效率的桥梁挠度仪[6]进行测试，实现了加载到位后3 s内完成全桥挠度测点的测试工作，有效地降低了测试过程中温度变化和人为转站产生的测试误差，提高了试验效率。对主跨跨中最大挠度加载时，实测组合梁挠度最大值为2 005.6 mm，计算值为2 095.91 mm，校验系数为0.96；对主跨1/4跨最大挠度加载时，实测组合梁挠度最大值为1 574.5 mm，计算值为1 721.6 mm，校验系数为0.91。在主跨跨中挠度加载工况下主梁挠度曲线见图1，该工况荷载效率94.9%，将该测试挠度值换算为设计荷载时的挠度值为2 113.4 mm，挠跨比f/L为1/402.2，表明结构刚度满足设计规范要求。

图1 汉阳侧主跨跨中挠度加载工况主梁挠度结果

挠度加载时主要挠度测点的挠度校验系数在0.91～0.96之间，接近规范中挠度校验系数常数值(0.75～1.0)的上限。经查证，马鞍山长江大桥、泰州长江大桥及阳逻长江大桥等大跨度悬索桥静载试验时主要挠度测点的挠度校验系数分为介于0.96～1.0之间，0.92～1.0[7]之间及0.99～1.0[8]之间，与本桥的挠度校验系数相当。

4.2 主塔偏位

试验中对中塔及边塔上下游塔顶偏位进行了测试。在中塔顺桥向最大偏位加载工况下，中塔塔顶偏位测试结果见表1。

表1 中塔顺桥向最大偏位工况下中塔塔顶偏位结果

由表1可见，中塔塔顶上下游实测值分别为449 mm和462 mm，计算值为475 mm，校验系数在0.95～0.97之间，校验系数均小于1，表明主塔整体抗弯刚度满足设计及规范要求。

规范中未给出塔偏校验系数的常数值，经查阅资料，马鞍山长江大桥在静载试验荷载作用下，塔偏校验系数在0.90～0.98之间，与本桥的塔偏校验系数相当。

4.3 主梁及主塔应力

在静载试验荷载作用下，各测试工况作用下组合梁各应力测点应变校验系数为0.62～0.88，主塔各应力测点应变校验系数为0.56～0.88，校验系数均小于1，表明主梁和主塔的整体抗弯强度满足设计及规范要求。

规范中钢结构的应力校验系数常值为0.75～1.0，预应力混凝土桥应力校验系数常值为0.60～0.90。实测应力校验系数较规范常值略微偏小，经查阅资料，马鞍山长江大桥在静载试验荷载作用下，主梁应力校验系数为0.60～1.05，主塔应力校验系数为0.62～1.04，本桥应力实测校验系数基本在马鞍山长江大桥应力校验系数范围内。