马普托大桥悬索桥荷载试验与评价_武文涛.pdf

智城实践NO.02 202327智能城市 INTELLIGENT CITY马普托大桥悬索桥荷载试验与评价武文涛（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）摘要：马普托大桥主桥跨越莫桑比克马普托湾，是完全采用中国标准与规范完成设计、施工以及竣工验收的悬索桥。为考虑悬索桥强烈的几何非线性，采用软件BNLAS建立有限元模型，分析汽车活载作用下的结构内力、变形及自振特性，按照结构最不利受力和代表性原则确定控制截面，按照计算振型特征确定自振特性测点布置。文章荷载试验包括自振特性试验、动力响应试验，测试了桥梁的校验系数、自振特性和冲击系数，为全面评价马普托大桥主桥的正常使用状态和承载能力提供了依据。关键词：悬索桥；有限元模型；荷载试验中图分类号：U448.25 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2023）02-0027-04DOI：10.19301/ki.zncs.2023.02.008Load test and assessment on suspension bridge of maputo bridgeWU Wen-taoAbstract:The main bridge of Maputo Bridge spans Maputo Bay in Mozambique.It is a suspension bridge designed,constructed and completed in accordance with Chinese standards.In order to consider the strong geometric non-linearity of suspension bridge,the software BNLAS was used to establish a finite element model to analyze the internal force,deformation and natural vibration characteristics of the structure under vehicle live load.The control section was determined according to the principle of the most adverse force and representativity of the structure,and the measurement points of natural vibration characteristics were determined according to the characteristics of the calculated vibration mode.This load test includes natural vibration characteristic test and dynamic response test,and tests the check coefficient,natural vibration characteristic and impact coefficient of the bridge,which provides a basis for comprehensive evaluation of the normal service state and bearing capacity of the main bridge of Maputo Bridge.Key words:suspension bridge;load test;assessment1工程概况桥体设计布置如图1所示。莫桑比克马普托大桥由北引桥、主桥、南引桥组成，北引桥采用9 m30 m T梁+(64+6119+75)m悬浇箱梁，南引桥采用(1245+2430)m T梁，主桥采用(260+680+284)m单跨双绞钢箱梁悬索桥，是非洲目前最大跨径的悬索桥，完全采用中国标准设计、施工和竣工验收1，于2018年11月10日通车运营。马普托大桥主桥的中跨主缆矢跨比为1/10，横向中心间距21.88 m，采用重力式锚碇。主缆和吊索均由5.0 mm、fk=1 670 MPa的镀锌高强钢丝组成，吊索采用销接式，全桥共计182根索股、220根吊索。主梁采用扁平流线型封闭钢箱梁，桥面板为正交异性板结构。钢箱梁宽25.6 m（含风嘴），高3 m图1桥体设计布置（单位：m）收稿日期：2022-11-15作者简介：武文涛，硕士，工程师，研究方向为桥梁与隧道工程。引用本文：武文涛.马普托大桥悬索桥荷载试验与评价J.智能城市,2023,9(2):27-30.智城实践NO.02 202328智能城市 INTELLIGENT CITY（中心处内轮廓高度），梁段单元间连接采取全焊（除顶板U肋拴接外）连接方式。索塔采用钢筋混凝土门形框架结构，由上下塔柱和上下横梁组成。塔柱为普通钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。塔柱混凝土强度为C50，承台和系梁混凝土强度为C40，承台桩基采用C35混凝土。为全面检验桥梁结构的正常使用状态和承载能力，通车前应进行荷载试验2。考虑悬索桥具有几何非线性规律，为保证试验结果的准确、可靠，采用桥梁非线性分析系统BNLAS建立有限元模型进行分析。材料参数的取值及施工过程与实际保持一致，全桥共计684个梁单元、596个杆单元、55个膜单元，全桥有限元模型如图2所示。2静载试验桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力荷载作用下各控制截面的应力及变形，从而确定桥梁结构实际工作状态与计算期望值是否相符，对桥梁结构的承载能力进行检算和评定，是检验桥梁性能及工作状态（如结构的强度、刚度）最直接、最有效的办法3。马普托大桥主桥静载试验天数为5 d。2.1控制截面及工况控制截面选取如图3所示。对该桥进行结构静力分析和移动活载分析后，结合桥梁结构的对称性和加载车辆调用的方便性，选择南半跨桥塔和加劲梁的最不利受力截面或对活载最为敏感的受力截面作为应力控制截面。文章静载试验选定的控制截面包括A-A截面（加劲梁7L/8处）；B-B截面（加劲梁L/2处）；C-C截面（桥塔塔底）；D-D截面（桥塔塔顶）；E-E截面（加劲梁7L/8处吊索）；F-F截面（加劲梁3L/4处）；G-G截面（加劲梁梁端）；H-H截面（加劲梁5L/8处）。各控制截面的荷载工况：工况1，截面（A-A）最大正弯矩及变形加载试验，中载；工况2，截面（B-B）最大正弯矩加载试验，中载；工况3，截面（C-C）最大弯矩加载试验，中载；工况4，截面（D-D）最大纵向水平位移加载试验，中载；工况5，截面（B-B）最大竖向变形加载试验，中载；工况6，桥跨7L/8截面附近吊索（E-E）最大索力加载试验，中载；工况7，截面（F-F）最大竖向变形加载试验，中载；工况8，截面（G-G）最大纵向水平位移加载试验，中载；工况9，截面（H-H）最大正弯矩加载试验，中载；工况10，截面（C-C）最大弯矩、截面（D-D）最大纵向水平位移和截面（B-B）最大竖向变形加载试验，偏载；工况11，截面（F-F）最大竖向变形和截面（G-G）最大纵向水平位移加载试验，偏载。为提高试验效率，通过优化试验车辆的布置对部分工况进行了合并，各试验工况的具体测试内容如表1所示。2.2加载效率公路桥梁荷载试验规程（JTG/T J21-012015）规定，交竣工验收荷载试验的效率宜介于0.851.05之间4。为使静载试验效率满足规定，试验荷载采用内力等效的原则计算，车辆具体布置位置按照各截面在最不利荷载作用下的有限元静力分图2全桥有限元模型表1各试验工况的具体测试内容试验工况工况1、6工况2工况3、4、5工况7、8工况9工况10工况11测试内容A-A截面应力测试；加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；加劲梁纵向位移；A-A截面加劲梁横桥向挠度测试；A-A截面附近8根吊索的索力测试B-B截面应力测试；加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；B-B截面加劲梁横桥向挠度测试；B-B截面附近6根吊索的索力测试C-C截面应力测试；加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；跨中附近6根吊索的索力测试加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；加劲梁纵向位移；F-F截面附近6根吊索的索力测试H-H截面应力测试；加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；加劲梁纵向位移；H-H截面加劲梁横桥向挠度测试；H-H截面附近6根吊索的索力测试加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；跨中附近6根吊索的索力测试加劲梁挠度测试；塔顶水平偏位；加劲梁纵向位移；F-F截面附近6根吊索的索力测试图3控制截面选取智城实践NO.02 202329智能城市 INTELLIGENT CITY析结果确定。值得注意的是，若某试验工况荷载效率满足要求，其他工况荷载效率可能大于1.05，因此应对该工况下各位置的荷载效率进行计算，保证结构安全。静载试验各工况荷载效率如表2所示。2.3试验结果结构校验系数是指试验荷载作用下结构应变或变形实测值与理论计算值的比值。悬索桥各工况静载试验工况校验系数如表3所示。由表3可以看出，各控制截面的应力与变形状况与理论计算值基本吻合，应力和变形校验系数基本接近或小于1，部分应力和变形校验系数大于1。由于规范并未给出悬索桥试验校验系数的常值范围，结合马鞍山长江大桥、泰州长江大桥等悬索桥的试验结果，建议悬索桥主梁应力和挠度的检验系数最大值为1.055。3动载试验动载试验包括自振特性试验和动力响应试验（含无障碍行车试验、有障碍行车试验、制动试验），主桥动载试验内容如表4所示。3.1自振特性试验根据自振振型理论计算结果并考虑现场实测的方便性，布置纵向、横向、竖向测点数66个。桥面9个测量截面，共36个测点；主缆5个测量截面，共22个测点；索塔2个测量截面，共8个测点。主桥自振特性测点布设位置如表5所示，主桥自振特性试验测试结果如表6所示。表3静载试验工况校验系数测试项目主梁应力主梁挠度桥塔偏位工况1、60.570.740.760.870.780.99工况20.621.000.981.000.98工况3、4、50.821.040.98工况7、80.901.050.800.910.86工况90.720.800.620.920.98工况100.951.000.99工况110.740.970.98表2静载试验各工况荷载效率工况工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8工况9工况10工况11项目主跨7L/8弯矩/(kN m)主跨7L/8竖向变形/m主跨L/2弯矩/(kN m)塔底弯矩/(kN m)塔顶纵向位移/m主跨L/2竖向变形/m主跨7L/8附近吊索轴力/kN主跨3L/4竖向变形/m梁端纵向位移/m主跨5L/8弯矩/(kN m)塔底弯矩/(kN m)塔顶纵向位移/m主跨L/2竖向变形/m主跨3L/4竖向变形/m梁端纵向位移/m设计荷载47 480.30-1.1239 509.4091 948.80-0.13-1.30136.60-1.580.3440 802.2084 834.20-0.11-0.98-1.200.26试验荷载45 539.40-1.1136 467.0079 285.80-0.12-1.22119.70-1.500.3138 050.7074 278.00-0.11-0.89-1.110.23荷载效率/%95.9099.0092.3098.6088.8093.9087.6095.2091.0093.3087.6088.1090.6092.4090.10注：竖向变形负值为向下，南岸塔顶纵向位移负值为向北岸。表4主桥动载试验内容工况工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7试验项目自振特性试验无障碍行车试验有障碍行车试验制动试验测试内容及车速主桥结构自振频率、振型及阻尼比动应变、冲击系数，车速10 km/h动应变、冲击系数，车速20 km/h动应变、冲击系数，车速30 km/h动应变、冲击系数，车速40 km/h动应变、冲击系数，车速15 km/h动应变、冲击系数，车速35 km/h备注中跨1/2处有障碍中跨1/2制动表5主桥自振特性测点布设位置序号12345678910111213141516测点位置加劲梁1/8截面加劲梁3/16截面加劲梁1/4截面加劲梁3/8截面加劲梁1/2截面加劲梁5/8截面加劲梁3/4截面加劲梁13/16截面加劲梁7/8截面北边跨主缆1/2截面中跨主缆1/4截面中跨主缆1/2截面中跨主缆3/4截面南边跨主缆1/2截面北索塔塔顶南索塔塔顶上游竖向横向纵向下游竖向横向纵向注：“”和“”代表有布置加速度计，“”代表公共点。智城实践NO.02 202330智能城市 INTELLIGENT CITY文章受篇幅限制，仅列出第3阶自振特性实测结果，如图4所示。可以看出，桥梁结构实测振型与计算振型阶次、振动方式符合较好，主要实测频率大于或等于相应阶次计算频率，表明桥梁动态刚度良好。3.2动力响应试验实测冲击系数与理论冲击系数对比如表7所示。动力响应试验是通过测试关键断面的动应变变化，通过动应变时程曲线计算冲击系数。动应变测点布设在主跨跨中L/2截面、主桥3L/4跨北侧1.5 m处（避开横隔板），在底板布置3个动应变测点。由表7可以看出，实测主跨跨中冲击系数小于理论计算值，表明主桥结构行车性能较好，桥面平整度较好，车辆对桥面的冲击效应基本满足现行公路桥规要求。4结语文章荷载试验采用软件BNLAS分析汽车活载作用下的结构内力、变形及自振特性，并按照结构最不利受力和代表性原则确定控制截面，按照计算振型特征确定自振特性测点布置。通过测试结构的校验系数、自振特性和冲击系数，全面分析了主桥的正常使用状态和承载能力，具体结论：（1）在静力试验荷载下，各控制截面的应力与变形状况与理论计算值基本吻合，应力和变形校验系数基本接近或小于1。（2）在环境振动下，大桥固有振动振型阶次与理论计算值吻合，实测频率略高于理论值，实际刚度大于理论计算刚度。（3）在不同行车速度的车辆荷载作用下，结构实测冲击系数均较小，运动车辆行车舒适度良好。马普托大桥主桥悬索桥的结构动静力性能满足设计和规范要求，具有承受预定设计荷载的足够的强度和刚度。参考文献1 任蒙,易蓓,冯鹏程.莫桑比克马普托跨海大桥设计关键技术研究J.中外公路,2020,40(6):114-119.2 何玉珊,张劲泉,宿健,等.虎门悬索桥动力荷载试验J.公路交通科技,1999(2):32-36.3 张劲泉,赵仲华,花迎春.虎门悬索桥交工验收静力荷载试验与评价J.公路交通科技,2000(5):31-34.4 JTG/T J21-012015,公路桥梁荷载试验规程S.5 李万恒,王元丰,李鹏飞,等.三塔悬索桥荷载试验研究J.公路交通科技,2017,34(1):61-66.表7实测冲击系数与理论冲击系数对比试验项目无障碍行车试验有障碍行车试验刹车试验试验截面主跨跨中L/2主桥3L/4跨北侧1.5 m处主跨跨中L/2主跨跨中L/2序号1234567811车速/（km/h）10203040102030401535计算冲击系数平均值0.010.030.030.030.010.010.030.020.030.05理论冲击系数(f1.5 Hz)0.050.050.050.050.050.050.050.050.050.05表6主桥自振特性试验测试结果阶次123456789计算频/Hz0.1030.1190.1680.1990.2670.3430.4040.4070.415实测频率/Hz0.1550.1630.1840.2030.2810.3600.4110.4240.454实测阻尼比/%1.5270.8720.5600.3410.4660.6300.1610.3400.080描述加劲梁对称横弯加劲梁纵飘加劲梁反对称竖弯加劲梁对称竖弯加劲梁对称竖弯加劲梁反对称竖弯边跨主缆横弯中跨主缆横弯边跨主缆横弯图4第3阶自振特性实测结果