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橋梁靜荷載試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最基本和最重要的試驗(yàn),在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中起主導(dǎo)作用。靜載試驗(yàn)是用物理力學(xué)方法測定和研究結(jié)構(gòu)在最不利位置作用下的反應(yīng),分析判定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與受力狀況。橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)是一種主要用于驗(yàn)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(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移、索力等其他試驗(yàn)項(xiàng)目,從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用功能。
上海國際旅游度假區(qū)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(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)分為主橋、副橋2部分,主橋?yàn)楫愋武撓淞簶?gòu)造,主橋外緣通過吊索與主纜連接,副橋?yàn)椤癥”形臂構(gòu)造,上肢與主橋內(nèi)緣連接,下肢支撐于張拉環(huán)索,環(huán)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(nèi)側(cè)副橋橋面中心線位于R=31.50 m的圓曲線上,內(nèi)側(cè)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。
迪士尼景觀橋作為一種新型橋梁,在國內(nèi)首次應(yīng)用,目前國內(nèi)尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此通過靜載試驗(yàn)對橋梁承載能力及工作性能進(jìn)行驗(yàn)證顯得尤為重要。通過靜載試驗(yàn)還能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法是否正確,對完善空間懸索人行橋的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法以及施工方案有重要作用。
該橋通過靜載試驗(yàn),預(yù)期達(dá)到以下目的[1-3]:
1)驗(yàn)證橋梁在使用荷載組合下的凈空高度;
2)測定橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的吊索力、背索力、鋼箱梁應(yīng)力,并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比;
3)試驗(yàn)結(jié)果用于檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算和實(shí)際狀態(tài)間的偏差,驗(yàn)證橋梁承載力與可靠性。測量數(shù)據(jù)作為橋梁最終驗(yàn)收的依據(jù);
4)靜載試驗(yàn)結(jié)果可作為動載試驗(yàn)方案編制的依據(jù);
5)為科學(xué)研究積累試驗(yàn)資料,以利于進(jìn)一步完善此類橋梁的設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)、驗(yàn)收等工作。
橋梁試驗(yàn)荷載效應(yīng)計(jì)算是在設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,確定加載位置、加載等級以及在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)大小的過程,也是一個反復(fù)試算的過程。
本工程為大跨度空間懸索鋼結(jié)構(gòu)橋,考慮到本工程結(jié)構(gòu)形式特殊且類似工程較少,擬通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性與適用性。
通過理論計(jì)算分析,本工程有如下最不利承載能力狀態(tài):
1)當(dāng)活荷載沿全橋滿載分布時(shí),橋梁背索力與絕大部分鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力將達(dá)到最大值。
2)當(dāng)活荷載沿全橋3/4跨滿載分布,另外1/4跨空載(即偏載)時(shí),橋梁的吊索力將達(dá)到最大值。
因此,本工程的承載能力驗(yàn)證主要由索力、應(yīng)力2方面構(gòu)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(yīng)力主要監(jiān)測主橋鋼箱梁與副橋“Y”形臂。
為滿足使用階段通航的要求,需驗(yàn)證本工程的凈空高度。凈空高度的驗(yàn)證主要通過測量橋梁在滿載狀態(tài)下的跨中位移來實(shí)現(xiàn)。
迪士尼景觀橋設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)活荷載分布如圖1所示。
圖1 設(shè)計(jì)活荷載分布模式
模式1~模式4的設(shè)計(jì)活荷載,內(nèi)側(cè)橋板為4.80 kN/m2,外側(cè)橋板為4.30 kN/m2;模式5~模式7的設(shè)計(jì)活荷載,內(nèi)側(cè)橋板為4.10 kN/m2,外側(cè)橋板為3.80 kN/m2;模式8的設(shè)計(jì)活荷載,內(nèi)側(cè)橋板為3.60 kN/m2,外側(cè)橋板為3.30 kN/m2;模式9的設(shè)計(jì)活荷載,內(nèi)側(cè)橋板為3.00 kN/m2,外側(cè)橋板為2.80 kN/m2。
由于橋梁靜載試驗(yàn)為鑒定荷載試驗(yàn),試驗(yàn)荷載原則上盡量采用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載相同的荷載,但由于客觀條件的限制,實(shí)際采用的試驗(yàn)荷載很難與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(yùn)工作量,而且提高了荷載布置均勻性,為最大限度地反映設(shè)計(jì)荷載布置情況創(chuàng)造了條件。
由于在試驗(yàn)過程中玻璃、欄桿、二期鋪裝等都沒有安裝,不能成為真實(shí)模擬最終成橋后的實(shí)際受力情況,故此次靜載方案將這類荷載全部考慮在內(nèi),如表1所示。
表1 試驗(yàn)荷載情況一覽(單位:kN/m2)
為提高試驗(yàn)的安全性,并獲得加載過程橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的受力反應(yīng),采用分級加載方式。試驗(yàn)時(shí)先驗(yàn)證滿布荷載,然后驗(yàn)證偏載,加載時(shí)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)
橋梁靜載過程中需要通過監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)受力反應(yīng)。從橋梁安全性和適用性驗(yàn)證目的出發(fā),靜載試驗(yàn)過程中的監(jiān)測內(nèi)容有主橋、副橋變形、鋼箱梁應(yīng)變、主纜索力、吊索索力、背索索力、塔頂位移等[4-6]。
應(yīng)變觀測:在試驗(yàn)過程中對每個工況的每級加載應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,應(yīng)變觀測應(yīng)包括初應(yīng)變、每個工況對應(yīng)的彈性應(yīng)變、殘余應(yīng)變等,并及時(shí)與理論值進(jìn)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(yàn)現(xiàn)場
索力觀測:在試驗(yàn)過程中對每個工況的每級加載索力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將檢測數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對比分析。
橋梁變形:靜載試驗(yàn)過程中對索塔塔頂、橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間位移和水平沉降監(jiān)測。
測量設(shè)備擬采用全站儀、水準(zhǔn)儀、索力動測儀、振弦式應(yīng)變計(jì)。觀測記錄應(yīng)記錄好時(shí)間、溫度、工況、特殊情況等詳細(xì)情況[7-9]。
主副橋及鋼箱梁的位移測點(diǎn)與應(yīng)力傳感器布置如圖5~圖7所示。
圖5 主橋應(yīng)力測點(diǎn)布置示意
圖6 副橋“Y”形臂應(yīng)力及位移測點(diǎn)布置示意
荷載試驗(yàn)是驗(yàn)證橋梁承載力和結(jié)構(gòu)性能的手段,也是橋梁質(zhì)量驗(yàn)收的重要依據(jù)。因此橋梁靜載試驗(yàn)方案直接關(guān)系到試驗(yàn)是否能達(dá)到靜載試驗(yàn)的目的。迪士尼景觀橋?yàn)樾滦涂臻g懸索人行橋,通過深入研究橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合靜載試驗(yàn)?zāi)康?,制訂了水袋分級加載的靜載方案,并明確了監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點(diǎn)的布置,靜載方案全面地反映了試驗(yàn)加載和監(jiān)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(yīng)力及位移測點(diǎn)布置示意