永定河大橋驗(yàn)收性試驗(yàn)

焦陽(yáng)

（北京公科固橋技術(shù)有限公司，北京 100089）

0 引言

隨著橋梁技術(shù)的逐漸成熟，大跨徑斜拉橋因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。因其造型美觀、具有較強(qiáng)的跨越能力，越來(lái)越多地被城市建設(shè)者采用，逐漸成為城市的標(biāo)志性建筑。斜拉橋在成橋過程中及成橋后均具有較復(fù)雜的受力，其中，高矮塔斜拉橋與普通雙塔對(duì)稱斜拉橋在受到荷載作用時(shí)，其受力變形較為不同。針對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)及橋型，為保證橋梁的運(yùn)行安全，掌握橋梁在實(shí)際荷載作用中的受力分布情況，需要在橋梁成橋后對(duì)其做進(jìn)一步的檢測(cè)和評(píng)估。橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定最有效和最直接的方式，也是交竣工驗(yàn)收的依據(jù)。通過對(duì)斜拉橋進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)檢測(cè)，可以更好地了解結(jié)構(gòu)主梁、斜拉索、主塔等構(gòu)件，為日后橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

永定河特大橋位于長(zhǎng)安街西延線上，上跨蓮石湖，穿越首鋼行政中心，橋梁全長(zhǎng)1 353.8m。該橋主橋跨徑為280m，主橋?yàn)槿摳甙p塔斜拉剛構(gòu)組合橋，高低拱形鋼塔、橫梁連接分離鋼箱斜拉剛構(gòu)組合體系橋，主橋全長(zhǎng)639m。北半側(cè)橋跨徑組合50+133.34+279.38+120.28+56=639m，南半側(cè)橋跨徑組合50+158.437+279.463+95.1+56=639m。橋面雙向共8 條機(jī)動(dòng)車道，兩側(cè)均有3.5m 非機(jī)動(dòng)車道和3m 人行道（含欄桿），機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道之間設(shè)置隔離帶，橋梁標(biāo)準(zhǔn)段寬度47m。設(shè)計(jì)荷載采用汽車荷載為城-A，人群荷載5kN/m2。橋梁主橋立面見圖1。

圖1 主橋立面照

2 靜載試驗(yàn)

橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁進(jìn)行承載能力鑒定最常用的方法之一，通過對(duì)橋梁進(jìn)行試驗(yàn)，分析判斷橋梁是否滿足承載能力的要求。靜載試驗(yàn)依據(jù)等效內(nèi)力理論，通過對(duì)成橋后結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算尋求最優(yōu)靜載。靜載試驗(yàn)采用與橋梁設(shè)計(jì)基本相同的概念與理論，通過對(duì)控制點(diǎn)位移與應(yīng)力的測(cè)量，計(jì)算相關(guān)控制截面的內(nèi)力情況。

2.1 靜載試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算，對(duì)主要控制截面進(jìn)行靜力加載，測(cè)量控制截面在靜載下的內(nèi)力和變形，并與計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比，以判斷控制截面內(nèi)力位移與設(shè)計(jì)是否相符，控制指標(biāo)是否滿足規(guī)范相關(guān)要求。

2.2 理論計(jì)算

本次采用橋梁領(lǐng)域?qū)I(yè)軟件MIDAS/Civil 2019 程序，拉索采用桁架單元、索塔采用梁?jiǎn)卧⒅髁翰捎冒鍐卧M(jìn)行主橋空間模擬計(jì)算，計(jì)算節(jié)點(diǎn)共3 056 個(gè)。按照最不利荷載方式布載，計(jì)算模型見圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型

2.3 測(cè)試截面與測(cè)試內(nèi)容

通過有限元計(jì)算得到各截面設(shè)計(jì)內(nèi)力（變形）等，依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）第5.4.2 條規(guī)定，對(duì)交（竣）工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)效率應(yīng)介于0.85～1.05。

本次試驗(yàn)選取測(cè)試截面為第8跨、第9跨、第10跨的最大正彎矩截面和高塔、矮塔處最大負(fù)彎矩截面作為控制截面。經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)荷載效率為0.85～1.05（見表1）。負(fù)彎矩截面主要測(cè)試應(yīng)變變化，正彎矩截面測(cè)試了應(yīng)變、撓度變化及索力增量。

表1 靜荷載試驗(yàn)荷載效率計(jì)算結(jié)果匯總表

2.4 加載試驗(yàn)車及加載方式

本次試驗(yàn)采用24 輛三軸重載車進(jìn)行加載，單車總荷載為350kN。試驗(yàn)前對(duì)每輛車的各軸荷載進(jìn)行準(zhǔn)確稱重，保證總重及各軸荷載偏差在±10kN之內(nèi)。不符合要求時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整裝載并重新一一稱重，直到滿足要求為止。每輛車共稱量三次。第一次，先將試驗(yàn)車向前慢慢行駛上地磅，至前軸完全作用在地磅上（中軸和后軸作用在地面上）進(jìn)行稱量，稱出前軸的荷載；第二次，再將試驗(yàn)車向前慢慢行駛，使整個(gè)車輛的三個(gè)軸均完全作用在地磅上進(jìn)行稱量，稱出總的軸荷載；第三次，將試驗(yàn)車向前慢慢駛離地磅，至前軸和中軸完全作用在地面上，僅留下后軸作用在地磅上進(jìn)行稱量，稱出后軸的軸荷載；至此稱重完畢。根據(jù)前軸荷載、總荷載及后軸荷載，計(jì)算中軸荷載。試驗(yàn)前測(cè)量每輛試驗(yàn)加載車的輪距和軸距，精確到厘米；根據(jù)試驗(yàn)車參數(shù)對(duì)每輛試驗(yàn)車進(jìn)行編號(hào)，并填寫試驗(yàn)加載車參數(shù)表。

2.5 測(cè)試系統(tǒng)

（1）應(yīng)變測(cè)量

在主橋箱內(nèi)表面及索塔表面安裝HY-65B3000B 無(wú)線智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)，匹配無(wú)線數(shù)據(jù)中繼收發(fā)器以及橋梁及結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量應(yīng)變。

（2）撓度測(cè)量

主梁豎向撓度采用精密水準(zhǔn)儀DNA03 配以銦鋼尺進(jìn)行測(cè)量。塔頂位移采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)，采用測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差±（2mm+2ppm），測(cè)角標(biāo)準(zhǔn)差±2"的全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)測(cè)量以及三角高程四測(cè)回觀測(cè)，并輔以光學(xué)測(cè)定兩塔塔頂指定點(diǎn)到固定基準(zhǔn)點(diǎn)的距離加以校驗(yàn)。

（3）拉索索力增量

分別在靜載試驗(yàn)加載前和加載后對(duì)拉索的總索力進(jìn)行測(cè)量，二者的差值即為活載索力增量。

2.6 試驗(yàn)加載程序及要求

2.6.1 試驗(yàn)加載程序

（1）試驗(yàn)過程中，為防止結(jié)構(gòu)一次加載過大造成的意外損傷，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)逐級(jí)進(jìn)行加載，以便獲取結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位的相關(guān)曲線。加載過程中，試驗(yàn)荷載分級(jí)加載，一次卸零。一般采用分3～5 級(jí)遞加到最大荷載，然后一次性卸至零荷載。

（2）在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前，通常進(jìn)行預(yù)加載。由于橋梁未正式投入使用，預(yù)加載荷載大小為荷載效應(yīng)的60%～80%為宜，預(yù)加載試驗(yàn)持荷時(shí)間以不少于20min 為宜。預(yù)加載的目的在于，一方面使結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，另一方面可以檢查測(cè)試系統(tǒng)和工作組織是否處于正常工作狀態(tài)。預(yù)加載結(jié)束后，將荷載卸至零，并在結(jié)構(gòu)得到充分零荷恢復(fù)后，即可進(jìn)入正式加載。

（3）正式加載過程中，按照試驗(yàn)方案的要求，對(duì)試驗(yàn)工況逐一進(jìn)行加載。加載過程的時(shí)間為結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所需要的時(shí)間。上一級(jí)加載結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一級(jí)加載。結(jié)構(gòu)變位相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)志是：同一級(jí)荷載內(nèi)，結(jié)構(gòu)在最后5min 內(nèi)的變位增量小于前一個(gè)5min 內(nèi)變位增量的15%，或小于所用測(cè)量?jī)x器的最小分辨值。

（4）在正式加載試驗(yàn)前，需對(duì)結(jié)構(gòu)的全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行初讀數(shù)測(cè)量，以后每加載一次進(jìn)行一次讀數(shù)，卸載后立即讀數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)加載到最大荷載時(shí)，應(yīng)每間隔2min讀數(shù)1次，直至讀數(shù)穩(wěn)定，以判斷結(jié)構(gòu)是否達(dá)到最大變位相對(duì)穩(wěn)定的要求。

2.6.2 試驗(yàn)加載要求

（1）在滿足規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)荷載效率的情況下，盡可能地采用較少的車輛。

（2）在進(jìn)行正式加載時(shí)，應(yīng)選擇一天中溫度變化較小的時(shí)間段進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）采用盡可能少的工況，在滿足荷載效率的前提下，可以適當(dāng)合并加載工況。

（4）當(dāng)出現(xiàn)控制點(diǎn)的控制值超出理論計(jì)算最大值，或加載過程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)數(shù)條新增裂縫、結(jié)構(gòu)原有裂縫縫寬急劇增大等影響結(jié)構(gòu)正常使用和承載能力的情況時(shí)，應(yīng)立即停止加載，查找原因。

2.7 測(cè)點(diǎn)布置

2.7.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

（1）主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

第8 跨～10 跨正彎矩截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，按圖3 布置。南北側(cè)主梁各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置24個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖3 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

（2）高矮塔處負(fù)彎矩截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)按圖4 布置。南北側(cè)主梁各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置32個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖4 負(fù)彎矩截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

（3）索塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：索塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)立面布置示意圖和橫斷面布置示意圖如圖5所示，即在每個(gè)索塔各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，高矮塔共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖5 索塔塔身應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖（括號(hào)內(nèi)為矮塔測(cè)點(diǎn)編號(hào)）

2.7.2 位移測(cè)點(diǎn)

（1）主梁位移測(cè)點(diǎn)：主梁位移測(cè)點(diǎn)按圖6 所示布置，即橋面橫向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別在南北側(cè)及中央分隔帶防撞墻位置。

圖6 主梁撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

（2）塔頂縱向水平位移測(cè)點(diǎn)

在高塔和矮塔的塔頂各布置1個(gè)全站儀測(cè)點(diǎn)，全橋共2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 塔頂位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖（括號(hào)內(nèi)為矮塔測(cè)點(diǎn)編號(hào)）

2.8 結(jié)果與分析

2.8.1 主梁

（1）撓度分析

本次試驗(yàn)主梁共選取3 個(gè)測(cè)試截面進(jìn)行撓度測(cè)試，其中第8 跨實(shí)測(cè)最大變形為-59.0mm，理論計(jì)算值為-65.6mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.90。第9 跨實(shí)測(cè)最大變形為-159.2mm，理論計(jì)算值為-174.9mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.91。第10跨實(shí)測(cè)最大變形為-49.5mm，理論計(jì)算值為-58.21mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.85。各測(cè)試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.85～0.91，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)正常。卸載后，相對(duì)殘余變位介于1.2%～8.2%，滿足小于20%的規(guī)定，表明主梁測(cè)試截面梁體變形恢復(fù)較好，在試驗(yàn)加載過程中呈彈性工作狀態(tài)。

（2）應(yīng)變分析

本次試驗(yàn)主梁共選取11個(gè)測(cè)試截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.81～0.94，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，應(yīng)力狀態(tài)正常。卸載后，相對(duì)殘余應(yīng)變介于0.5%～10.0%，滿足小于20%的規(guī)定。表明測(cè)試截面應(yīng)變恢復(fù)較好，在試驗(yàn)加載過程中呈彈性工作狀態(tài)。

2.8.2 索塔

（1）塔頂位移

高塔和矮塔的塔頂測(cè)試截面在相應(yīng)工況作用下，測(cè)點(diǎn)位移校驗(yàn)系數(shù)為0.89～0.97，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)正常。卸載后，相對(duì)殘余變形為1.1%～4.2%，滿足小于20%的規(guī)定，表明測(cè)試截面變形恢復(fù)較好，在試驗(yàn)加載過程中呈彈性工作狀態(tài)。

（2）塔身應(yīng)變

索塔測(cè)試截面在相應(yīng)工況作用下，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.46～0.91，表明測(cè)試截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，應(yīng)力狀態(tài)正常。卸載后各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.1%～9.5%，滿足小于20%的規(guī)定，表明索塔測(cè)試截面應(yīng)變恢復(fù)較好，在試驗(yàn)加載過程中呈彈性工作狀態(tài)。

（3）斜拉索

本次試驗(yàn)測(cè)試荷載作用下斜拉索索力增量，滿載實(shí)測(cè)索力增量校驗(yàn)系數(shù)為0.80～0.98，卸載后的索力增量相對(duì)殘余為0.5%～6.2%，斜拉索索力變化正常。

3 主橋動(dòng)荷載試驗(yàn)

3.1 動(dòng)載試驗(yàn)項(xiàng)目

通過對(duì)斜拉橋振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的分析獲得動(dòng)力特性參數(shù)，包括主梁及主塔結(jié)構(gòu)前5階振型、頻率、阻尼比等。主跨中跨的跨中附近截面的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)主要檢測(cè)沖擊效應(yīng)。

3.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

（1）動(dòng)力試驗(yàn)荷載及其作用方式

在橋面無(wú)交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激勵(lì)而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，分析振動(dòng)信號(hào)獲得模態(tài)參數(shù)，包括振動(dòng)頻率、振型和阻尼比。

（2）測(cè)點(diǎn)布置

大橋主橋動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試，在橋面布置橫向拾振器，上、下游布置豎向拾振器。橋塔上布置橫向拾振器，全橋共計(jì)21個(gè)動(dòng)力特性測(cè)試截面，63個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，大橋主橋動(dòng)載動(dòng)力特性測(cè)試截面俯視布置圖如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置圖

（3）試驗(yàn)流程

橫向共25 個(gè)測(cè)點(diǎn)，豎向共38 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共63 個(gè)測(cè)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試擬分五批測(cè)試，采用8 臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，1 臺(tái)作參考點(diǎn)，7 臺(tái)移動(dòng)，分布式GPS 授時(shí)同步，大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)傳感器到采集儀的引線，提高效率。采用941B超低頻振動(dòng)速度傳感器的第4檔，頻響為0.17～100Hz；靈敏度約為0.8mv/mm/s；振動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)度為3 600s（60min），采用頻率為25.6Hz。

3.2.2 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

本橋?qū)崪y(cè)1 階頻率為0.697Hz，1 階振型為主梁1 階對(duì)稱豎彎，各階頻率大于計(jì)算頻率。詳細(xì)實(shí)測(cè)結(jié)果見表2。各階振動(dòng)振型如圖9～圖11 所示（由于篇幅有限，本文只給出前三階振型圖）。

表2 自振特性參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9 1階理論振型（主梁1階對(duì)稱豎彎）

圖10 2階理論振型（主梁1階反對(duì)稱豎彎）

圖11 3階理論振型（主梁1階扭轉(zhuǎn)）

3.3 無(wú)障礙行車試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

（1）作用方式

在橋面無(wú)任何障礙的情況下，試驗(yàn)時(shí)采用2 輛重350kN 的試驗(yàn)車并排橫向?qū)ΨQ布置，分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 和 60km/h 的速度同向?qū)ΨQ勻速駛過橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，檢測(cè)沖擊效應(yīng)。

（2）測(cè)點(diǎn)布置

本次動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)選擇主跨跨中截面。測(cè)點(diǎn)布置在箱外底板，左右側(cè)縱梁底各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.3.2 無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

該橋在不同車速下實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)最大值為1.031，小于理論動(dòng)力系數(shù)1.05，動(dòng)力系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

靜載試驗(yàn)作用下結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件受力狀態(tài)正常，應(yīng)力、變形、索力校驗(yàn)系數(shù)均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求。動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測(cè)各階頻率大于計(jì)算頻率，實(shí)測(cè)阻尼比處于正常范圍，動(dòng)力系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，該橋滿足橋梁正常運(yùn)營(yíng)要求。