菜园坝公轨两用长江大桥静载试验研究.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9 5 菜园坝公轨两用长江大桥静载试验研究 惠 丹 ， 鲁薇薇 ， 严 猛 ， 李晓斌 ( 1 重庆市轨道交通( 集团) 有限公司， 重庆4 0 4 1 0 0 ； 2 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 随着现代科学技术的进步， 桥梁结构的设计方法和设计理论都有了根本性的变化， 然而影响桥梁工程质量 的许多不确定因素仍然存在， 为检验建成后的桥梁工程质量， 以重庆菜园坝长江大桥为实例， 用载重汽车与轻轨车 辆同时试验模拟设计荷载， 合理的合并试验工况， 对实桥进行静载试验 ， 了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工 作状态， 进而评估桥梁结构的施工质量和使用状况， 为竣工验收和深入探索提供科学依据。 关键词： 大跨度系杆拱桥； 自振频率 ； 静载试验； 校验系数 中图分类号： U 4 4 8 2 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 9 50 5 S t a t i c l o a d i n g t e s t s r e s e a r c h a b o u t Ca i y u a n b a h i g hwa y - r a i l b i u r p o s e Ya n g t z e Ri v e r Br i d g e HUI Da n LU We i we i ， YAN Me n g ， L I Xi a o b i n ( 1 C h o n g q i n g U r b a n R a i l T r a n s i t( G r o u p )C o ， L T D ， C h o n g q i n g 4 041 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W i t h t h e d e v e l o p me n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y， f u n d a me n t a l c h a n g e s h a v e e me r g e d i n t h e d e s i g n me t h o d s a n d d e s i g n t h e o r y o f b r i d g e s t r u c t u r e Y e t ， t h e r e a r e a l o t o f f a c t o r s a f f e c t i n g t h e q u a l i t y o f a p r o j e c t I n o r d e r t o t e s t c o n s t r u c t i o n q u a l i t y o f t h e b u i l t b r i d g e， t a k i n g C a i y u a n b a Ya n z e B r i d g e a s a n e x a mp l e ， h e a v y t ru c k s a n d l i g h t r a i l v e h i c l e s h a v e b e e n u s e d t o s i mu l a t e t h e d e s i g n l o a d s T e s t c o n d i t i o n s h a v e b e e n r e a s o n a b l y c o mb i n e d a n d t h e s t a t i c l o a d i n g t e s t s w e r e ma d e o v e r t h e r e a l b r i d g e T h e t e s t s h e l p t o u n d e r s t a n d t h e b r i d g e u n d e r t h e r e al w o r k i n g c o n d i t i o n a n d h e l p t o e v a l u a t e t h e c o n s t ru c t i o n q u ali t y o f b r i d g e s t r u c t u r e a n d u s i n g s a f e t y ， wh i c h p r o v i d e s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e fi n al a c c e p t a n c e o f t h e c o n s t ruc t i o n a n d i n d e p t h e x p l o r a t i o n Ke y wo r d s ： l o n g s p a n t i e d a r c h b r i d g e ； n a t u r a l v i b r a t i o ne q u e n e y； s t a t i c l o a d i n g t e s t s ； c a l i b r a t i o n c o e f f i c i e n t 0 引 言 系杆拱桥 ( T i e d A r c h B r i d g e ) 是一 种特殊 的拱 桥形式 ， 为了更好地突 出拱和梁 自身受压与受弯特 性 ， 将拱与梁结构组合在一起 ， 共 同承受各种荷载 ， 以此达到节省材料的 目的 。 桥梁荷载试验是通过对成桥直接加载进行有关 测试 、 记录与分析工作 ， 包括试验准备、 理论计算 、 现 场试验 、 对试验结果分析整理等一系列内容 ， 来达到 了解桥梁结构在试验荷载作用下 的实际工作状态 ， 进而评估桥梁结构施工质量和使用状况 ， 为竣工验 收和深入探索提供科学依据 J 。 1 桥梁概述 菜园坝长江大桥主桥为大跨度 、 公轨两用 、 无推 力式刚构 、 钢桁梁 、 钢箱 系杆拱组合结构 ， 主桥全长 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 - 2 8 作者简介： 惠丹( 1 9 8 0一 ) ， 男， 研究方向： 既有桥梁的检测评估。 E ma i l ： 51 1 3 2 4 91 0 q q c o rn 8 0 0 m， 其中主跨 4 2 0 I n主拱 为钢一 混组合结构提篮 式 系 杆 拱 ， 矢 高 5 6 4 4 i n ， 主 拱 肋 内侧 倾 角 为 1 0 6 7 。 ， 两片拱肋通过 6道钢箱横撑连为一体。拱 肋箱型截面尺寸为 2 4 4 0 in， 板厚在 2 4 4 0 m m 之间变化 ， 对称布置 的边跨和侧跨分别为 1 0 2 in及 8 8 m 。 大桥设计荷载为城- A汽车荷载 、 2 4 k N m 人 群荷载以及单轨轴重 1 1 0 k N的轻轨荷载。桥 梁分 上 、 下两层 ， 上层桥面布置为 6车道汽车和两侧人行 道 ； 下层桥面布置为双线轻轨。设计行车速度分别 为汽车 6 0 k in h和轻轨 7 5 k m h 。活载通过正交异 性板连续钢桁 梁桥面系结构 传递到刚构和拱结 构 上， 该结构体系为国内首次采用， 受力复杂。菜园坝 长江大桥主桥立面布置如图 1 所示 。 2菜园坝长江大桥静力分析 菜园坝长江大桥是一座 Y型刚构与提篮式 钢 箱系杆拱、 桁梁组合结构桥。该桥结构组合模式较 复杂， 涉及到多种结构形式 ， 模型采用空间有限元程 9 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 图 1 菜园坝长江大桥主桥 立面布置( 单位 ： c m) F i g 1 E l e v a t i o n l a y o u t o f Ca i y u a n b a Ya n g t z e Ri v e r B r i d g e ( u n i t s ： c m) 序 Mi d a s C i v i l 2 0 1 0进行 。有限元建模 时主要考虑 结构的刚度 、 质量和边界条件 ， 使模型传力方式尽可 能与实际情况接近。主桥模型分为主拱 、 带正交异 性桥面板的钢桁 梁 、 主墩及 Y型刚构 、 边墩及交界 墩及墩身 、 系杆索等构件 ， 全桥共计 6 5 4 3个单元 ， 其 中杆单元 1 3 6个， 梁单元 6 4 0 7个 ， 其 中各构件有限 元模型为： 正交异性桥面板用梁格法模拟 ； 钢桁梁 、 主墩 、 Y型刚构 、 边墩 、 交界墩用梁单元模拟 ； 系杆索 利用桁架单元模拟 。有限元模型如图 2所示 。 图 2菜园坝大桥主桥有 限元模型 F i g 2 Th r e e - d i me n s i o n a l fin i t e - e l e me n t mo d e l o f Ca i y u a n b a Ya n g t z e Ri v e r B r i d g e 静载试验荷载采用 0 7 5倍公路层 +0 9倍 轨 道层计算。详细计算 ， 得出 了主梁各控制截 面的 内 力 、 位移影响线及活载作用下内力包络图和位移包 络图。计算结果分析表明， 钢桁梁南岸端端斜腹杆 、 钢桁梁南岸端侧边跨跨中附近下弦杆、 钢桁梁南岸 端 P 1 9 桥墩支点处下弦杆 、 钢桁梁南岸端边跨跨 中 附近上下弦杆 、 钢桁梁南岸端支点 吊索附近下弦杆 和斜腹杆 、 钢桁梁中跨南岸端 L 4处下弦杆、 钢桁梁 中跨跨 中处下弦杆及吊杆轴力较大。南岸端主拱拱 脚负弯矩较大， 南岸端 L 4 拱肋正弯矩较大， 主拱拱 顶挠度和正弯矩均较大。南岸端支点 吊索处轨道横 梁根部弯矩较大 ， P 1 8 刚构前悬臂根部突变截面弯 矩较大 ， P 1 8 刚构前悬臂主次横梁根部截面弯矩较 大 ， 应选择上述控制截面进行试验加载。 3 试验 内容及测点布置 3 1试验 内容 静载试验荷载采用列车及载重汽车充当 ( 机车 采用 2辆首车和 4辆标准车组成 ， 首车和标准车轴 重均为 1 0 3 k N， 载重汽车采用 2 8辆 3 0 0 k N汽车 ) 针对每一检验项目， 所需列车的具体重量及编组， 根 据设计控制荷载产生的最不利效应值按规范 规 定的静力试验荷载效率等效换算 而得 ， 除个别试验 控制截面荷载效率系数较低外 ， 其余各试验截面的 荷载效率系数均处于规范规定 的范围 。汽车和 轻轨车辆如 图 3 、 4所示 。主桥静载试验截面布置如 图 5所示 图3 汽车荷载分布( 单位： I n ) F i g 3 V e h i c l e l o a d d i s t r i b u t i o n( u n i t s ： m) 4 1 0 3k N _ 4 1 O 3 kN f f 1 7 1 5 l 8 1 I 1 5 I 2 6 5 I l 7 1 l 5 8 1 l l 7 5 l 5 5 l 4 6 图4 轻轨单轨首车车辆荷载分布( 单位： m) Fi g 4 The fir s t o f t h e l i g ht r a i l v e h i c l e l o a d d i s t r i b u t i o n ( u n i t s ： m J L M 南片 L M 毫乏 Z 7 ， ， 、 【 _ 【7 7 I 墨 蓦 塞 磊 7 【 瓣 石 C 。B i 4 0 8 2 f I 1 图 5 菜园坝长江大桥 主桥 静载试验截面布置 ( 单位 ： m) F i g 5 L a y o u t c h a r t t e s t e d c r o s s s e c t i o n o f C a i y u a n b a Ya n g t z e Riv e r B r i d g e ( u n i t s ： m) 惠丹 ， 等： 菜园坝公轨两用长江大桥静载试验研究 9 7 钢桁梁试验工况 ： 南岸端 端斜腹杆 ( A A) 最大 压力 i 加载 ； 南岸 端侧边跨跨 中附近下弦杆 ( B B ) 最大拉力 加载 ；南岸端 P 1 9 桥 墩支点处下 弦杆 ( C C) 最 大压力 i 加载 ； 南岸端 边跨跨 中附 近下弦杆 ( D D) 最大拉力 加载 ； 南岸端边跨跨 中附近上弦杆 ( E - E) 最大压力 m i 加载 ； 南岸端支 点吊索处斜腹杆 ( F - F ) 最大压力 i 加载； 南岸端支 点吊索处下弦杆 ( G G) 最大压力 i 加 载； 中跨南 岸端 L 4附近下弦杆 ( H H) 最大拉力 加载； 中 跨跨 中附近下弦杆( I I ) 最大拉力 J7、 7 加载。 主拱试验工况： 主拱拱脚截面( J J ) 最大负弯矩 i 加载 ； 南岸端 L 4附近吊杆处拱肋截面 ( K K) 最大正弯矩 加载 ； 主拱拱顶截 面 ( L L ) 最大正 弯矩 加载 ； 主拱拱顶最大挠度( M- M) 加载。 最大拉力 m 。 加载； 南岸端边跨系杆( O O) 最大拉 力 加载 ； 中跨系杆 ( P P ) 最大拉力 加载。 轨道横梁及 Y构试验工况 ： 南岸端支点 吊索处 轨道横梁( Q Q) 根部最大 负弯矩 i 加载； 南岸端 P 1 8 刚构前悬 臂根部 突变截面 ( R R) 最大负弯矩 Mm i 加载 ； 南岸端 P 1 8 刚构前悬臂次横梁根部截 面 ( S S ) 最大负弯矩 j 加载。 通过对工况进 行合并 ， 总共为 6个工况 ， 分别 是 ： A A B B工况 ； C C D D E E G G工况 ； F F O O R - R 工 况 ； H_ H J J K K 工 况 ； I - I L I M M N N P P工况 ； Q - Q S S工况。主桥荷载试验时 ， 公路 层与轨道层同时进行加载。为满足各工况最不利加 载要求 ， 静载试验荷载根据静载试验加载项 目， 对公 路层汽车进行相应编组。菜园坝长江大桥主桥各典 吊杆及系杆试验工况 ： 主拱拱顶处 吊杆 ( N N) 型工况汽车具体布载见表 l及图 6 。 表 1 菜园坝长江大桥 主桥静载加载各工况汽车加载截面及荷载布置 T a b l e 1 T h e l o a d e d s e c t i o n a n d l a y o u t o f Cmy u a n b a Ya n g t z e Ri v e r Br i d g e u n d e r t h e s t a t i c v e h i c l e l o a d e d c o n d i t i o n 堕1 吊 杆 7 4 8 m 堕! 里 堑 生 1 o 4 I ”4 1 5 4 l I 5 4 1 5 4 ， D D 截 面 轴 力 影 响 线 ( b ) C C D D E - E G G工况加载车辆布置示意图( 单位：m) ( d ) H H J J K- KI况加载车辆布置示意图( 单位：in ) 距离1 7 # 吊杆3 4 8 m l 2 2 4 1 0 4 1 7 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 3 x 3 0 ( ) k N 3 3 0 0 k N 3 _3 0 0 k N 3 3 o 0 k N 3 3 0 0 k N 3 3 0 0 k N 3 3 0 0 k l 一 Q Q 截面弯矩影 响线 S - S 截 面弯矩影 响线一一 ( e ) I I 几- L M M N _ N P P 工况加载车辆布置示意图( 单位：m) ( f ) Q- Q S S 工况加载车辆布置示意图( 单位：m) 图 6 各荷载工况加载纵向布置( 单位： m) F i g 6 L o n g i t u d i n a l l 0 a d l a y o u t c h a r t s o f l o a d c a s e s ( u n i t ： m) 一 一 9 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 3 2测点 布置 应变测点布置 ： 菜 园坝长江大桥 主桥典型控制 截面测点布置如图 7所示 ， 图中实心三角形 同时代 表动应力测点 ， 其中钢桁梁各测试断面下弦杆顶板 上缘和底板下缘各布置 3个应力测点， 上弦杆顶板 下缘横 、 纵桥向各布置 2个应力测点 ， 底板下缘布置 3个应力测点 ， 南岸端端斜腹杆 、 南岸端支点吊索处 斜腹杆两翼缘板上缘各布置 3个应力测点 ， 上下游 侧应力测点对称布置； P 1 8 刚构前悬臂根部突变截 面顶板上缘和底板下缘各布置 5个应力测点 ， 腹板 顶部下 1 0 c m 和底部上 1 0 c m各布置 2个应 力测 点 ， 上下游侧应力测点对称布置 ， 单侧共计 1 4个应 力测点 ； P 1 8 刚构前悬臂次横梁根部截面上缘和下 缘各布置 3个应力测点 ， 腹板顶部下 1 0 c m和底部 上 1 0 c n l 各布置 2个应力测点 ， 上下游侧应力测点 对称布置 ， 单侧共计 1 0个应力测点 ； 南岸端支点 吊 索处轨道横梁根部截面顶板上缘和底板下缘各布置 3个应力测点 ， 腹板顶部下 1 0 c m和底部上 1 0 c m各 布置 2个应力测点 ， 上下游侧应力测点对称布置 ， 单 侧共计 1 0个应力测点； 主拱拱肋各测试截面顶板下 缘和底板上缘各布置 2个应力测点 ， 腹板顶部下 2 0 c m和底部上 2 0 c m各布置 2个应力测点， 上下游侧 拱肋应力测点对称布置 ， 单侧拱肋共计 2 4个应力测 点 ， 图中实心三角形 同时代表动应力测点 。 图 7 斜杆 、 弦杆 、 拱肋及轨道横梁处 截面应力测点布置 ( 长度单位 ： c m) Fi g 7 Lay o ut of s t r a i n- t e s t e d poi nt s of t e s t c ho r ds 挠度及梁端位移 、 转角测点布置 ： 拱肋 4附近 吊杆处 、 拱顶 、 3 L 4附近吊杆处 、 钢桁梁南岸端侧边 跨及边跨 4分点处 、 中跨 8分点处和钢桁梁北岸端 侧边跨和边跨跨 中处上 下游侧各 布置 1个挠度测 点 ， 图 8中用 表示静挠度测点 ， 其中主拱单侧共 3 个挠度测试截面， 桥面单侧共 1 5个挠度测试截面 ， 测点横桥向对称布置 ， 全桥共 3 6个静挠度测点 ； 支 座位移测点及轨道梁端上翘转角、 中跨跨中处轨道 梁梁缝变化测点用来测量多 向活动支座横 、 纵 向位 移和轨道梁端上翘转角及中跨跨中处轨道粱梁缝变 化 ， 其中轨道梁梁端转角和梁缝变化测点为 ： 、 下游 侧对称布置， 全桥共 4个梁端位移及转角测点。 菜园坝长江大桥 位移 ( 挠度及梁端转角 ) 测点布置 La yo ut o f de fle c t i o ns - t e s t e d poi nt s o f Ca i yua nb a Yang t z e Ri ve r Br i dg e 4 试 验结果与分析 4 1 应 力测试 结果 与分析 各工况下测试截面应力实测值及与计算值的比 较见表 2 。从应力测试结果 可以看 出， 桥跨结构应 力效验系数介于 0 5 81 0 4之间， 试验桥跨结构应 力校验系数在合理范 围内， 因此可 以得 出桥跨结构 的强度较好。 表 2 各工况下测试截 面应 力实测值及与计算值的比较 Ta bl e 2 Co mpar i s o n of me a s ur e d a nd c a l c ul at e d s t r e s s o f t e s t c r o s s s e c t i ons M Pa 0 n 0 卿 一 1 惠丹， 等： 菜园坝公轨两用长江大桥静载试验研究 9 9 4 2 挠度测试结果与分析 典型工况下拱肋挠度实测值及与计算值 比较见 表 3 。从挠度测试结果可 以看 出， 拱肋结构挠度 校 验系数介于 0 7 81 0 2之间， 试验跨挠度结构校验 系数在合理范围内， 表明桥跨结构具有较好的刚度 。 表 3 拱肋挠度 实测值及 与计算值 比较 Ta b l e 3 Co mp a r i s o n o f me a s u r e d a n d c a l c u l a t e d d e fle c t i o n s o f t e s t c r os s s e c t i ons mm 工况 位 置 计算值 实测值 校验系数 F O R H J K O 8 6 0 7 8 O 8 7 0 8 6 0 9 7 0 9 5 O 9 8 1 0 2 1 01 4 3 阻尼器、 支座纵 向位移及梁端竖向折角测试 结果 与分 析 静载试验时， 根据主桥各工况的加载情况 ， 主要 测试 C D E R工况下阻尼器 、 支座纵 向位移及梁端 竖向折角增量。阻尼器 、 支座纵 向位移及梁端竖向 折角增量见表 4 。可以看出， 在该加载工况下 ， 阻尼 器 、 支座实际工作 状态 良好 ， 梁端竖 向转角增量 为 1 1 7 2 4 r a d ， 满足规范 中对于梁端竖 向折角应不大 于 1 1 2 5 0 r a d的要求 。 表 4阻尼器 、 支座纵向位移及梁端竖向折角测试结果 Ta b l e 4 Th e t e s t r e s u l t s o f t he l o n g i t u d i n a l d e fle c t i o n s o f t he da mpe r， a nd s uppo r t a nd t he ve r t i c al ang l e o fth e e n d o f be a m 注 ： 阻尼器伸 长为“+” ， 缩短为 “一” ； 支座 向南 岸为“+”， 向北岸 移 动为“一” ； 梁端转角按逆时针旋转为“+” ， 反之为“一” 。 5 结 论 1 ) 菜园坝长江大桥结构计算分析结果与实测 数据吻合较好 ， 有 限元模 型分析与实际理论分析相 符。 2 ) 按照方案进行静载试验 ， 对试验数据进行分 析处理 ， 该桥静载试验各试验截面应力 校验系数在 0 5 81 0 4之 间； 各 工况挠度校 验系数在 0 7 8 0 9 5之间。因此该桥 的应力校验系数和挠度校验 系数处于合理范 围之内， 说 明桥跨具有足够 的强度 和刚度 。 3 ) 加载工况下 ， 阻尼器 、 支座实 际工作状态 良 好 ； 梁端竖 向转角增量为 1 1 7 2 4 t a d ， 满足规范 中 对于梁端竖向折角应不大于 1 1 2 5 0 r a d的要求。 4 ) 通过对菜园坝公轨两用长江大桥静载试验 的详细说明 ， 试验方法及分析成果可为 同类型的大 跨度桥梁荷载试验提供参考。 参 考 文 献 ： 1 严猛 大跨度 系杆 拱桥地 震反应 特性分 析研究 D 成 都 ： 西南交通 大学 ， 2 0 1 1 2 陈江华 菜 园坝 长江大桥 荷载试 验方案 研究 D 重庆 ： 重庆 交通 大学 ， 2 0 0 7 3 白雨 大跨度 系杆拱桥 荷载试 验研究 D 成 都 ： 西 南交通 大学， 2 0 1 1 4 韩威 ， 杨永清 ， 高玉峰 大跨度 系杆拱桥 荷载试验研 究 J 西南 公路 ， 2 0 1 1 ( 4 ) 5 Y C 4 4 1 9 8 2大跨径混凝土桥梁的试验方法 s 6 J T G T J 2 1 2 O 1 1公路桥梁承载能力 检测评定规程 S 7 1 G B 5 0 4 5 8 -2 0 0 8跨座式单轨交通设计规范 f S 铝 4 1 5 一 一 一 一 加 蚰脚瑚 4 15一 一 一 一