舟山小干二橋懸索跨主橋成橋荷載試驗*

王丁力，馮超梁，房科紅，唐忠平

(1.嵊泗縣城鄉建設投資開發有限公司，浙江 舟山 202450；2.浙江中邑建設有限公司，浙江 寧波 315016；3.浙江科信聯合工程項目管理咨詢有限公司，浙江 寧波 315040；4.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410007)

1 工程概況

舟山小干二橋是舟山市市政工程中首座特大型橋梁，南起小干島北側，北與海天大道相交，全長1 455.2m，按城-A荷載等級設計(見圖1)。主橋為150m+370m+150m雙塔三跨組合梁自錨式懸索橋，最大跨徑屬于同類型橋梁中世界第一[1]。

圖1 舟山小干二橋實景

其主橋全寬32.0m、雙向4車道，主梁采用鋼混組合梁結構，主梁最高為3.0m，鋼結構由主縱梁(閉口箱梁)、橫梁、挑梁、小縱梁組成雙主梁梁格體系；橋面板采用C60預制鋼筋混凝土結構，現澆縫采用C60無收縮纖維混凝土；鋼梁與橋面板之間通過剪力釘連接。主塔高100.0m，矢跨比為1/6，全橋共2根主纜、雙纜面，每根主纜由61股平行束組成，每股含127根φ5.0鍍鋅鋁合金高強鋼絲；全橋共75對吊索，采用銷鉸式；索夾為上下對合型，用高強螺栓桿連接，上下兩半均采用鑄鋼結構，主索鞍及散索套均采用全鑄式結構。該橋于2016年6月開工建設，2018年2月建造完成。

為檢驗該橋設計與施工質量水平，掌握該橋的實際工作性能，檢驗該橋結構的實際承載能力、安全性和可靠性，為竣工驗收提供依據，2018年3月對舟山小干二橋懸索跨主橋組織進行成橋荷載試驗。

賈毅等研究了某城市獨塔懸索橋的成橋荷載試驗過程，為竣工驗收提供技術支撐[2]；李萬恒等依托泰州長江大橋和馬鞍山長江大橋荷載試驗為背景，提出了三塔懸索橋荷載試驗的要點[3]；郭霖華等對南京小龍灣自錨式懸索橋荷載試驗的內容進行了論述[4]；史耀華對劉家峽大橋懸索橋成橋荷載試驗結果進行分析并對成橋質量機型評定[5]。由于受海洋環境的特殊影響，按對稱相似原則，本次靜載試驗選取對稱結構的一半組織、動載試驗按全橋長全截面組織實施。

2 有限元模擬分析

在對橋梁結構進行荷載試驗前，須按實際結構狀況建立三維有限元模型進行加載靜力和動力模擬分析，計算出各控制截面內力最不利加載范圍，確定加載輪位和試驗方案。

采用MIDAS /Civil 2017有限元軟件進行舟山小干二橋懸索跨主橋模擬分析和計算加載方案。建立全橋結構的等比三維模型，主縱梁(閉口箱梁)、橫梁、挑梁、小縱梁均采用梁單元，橋面板采用板單元，主纜和吊桿采用索。主纜的端頭錨固處和主塔塔底為固結，主纜在塔頂主鞍中心處按永不脫離點考慮，主纜與吊桿、吊桿與橫梁的連接采用共節點模擬約束，加勁梁梁端縱向位移和轉角均為自由，僅有豎向約束。結構自重由MIDAS /Civil 2017自動考慮，車道荷載按移動荷載施加，二期恒載等靜力荷載均采用梁單元荷載。有限元模型如圖2所示。

圖2 舟山小干二橋懸索跨主橋有限元模型

3 靜載試驗

橋梁結構靜載試驗為無破壞性試驗，是將靜止的車輛荷載作用在橋梁指定斷面位置(見圖3)，測試橋梁結構的靜力位移、靜力應變、裂縫、索力增量等關鍵參數，再將實測值與理論值進行對比分析，綜合判定橋梁結構的承載力和在荷載作用下的工作性能。

圖3 舟山小干二橋懸索跨主橋靜載試驗主要控制斷面(單位：m)

3.1 試驗工況和加載效率

根據規范[6]規定，結合舟山小干二橋懸索跨主橋的結構特點，本次靜載試驗共設定5個試驗工況，如表1所示。為確保試驗過程中結構安全和順利實現試驗目的，參照文獻[7]，本次靜載試驗的試驗荷載按荷載效率進行控制，主要工況的荷載效率取值范圍為0.85≤ηs<1.05，索力增量工況的荷載效率取值范圍為0.50≤ηs<0.65。

表1 靜載試驗工況和荷載效率

3.2 測點布置

測點布置主要包括結構應變測點及橋面、主塔和主纜的變形(撓度)測點兩部分。

3.2.1工況1測點布置

1)應變測點 在靠小干島側的2個主塔塔腳自承臺往上6m處斷面上縱橋向對稱布置12個振弦式應變計，均采用振弦式應變儀測量。測點布置和編號方式如圖4所示。

圖4 塔腳(E—E斷面)應變測點布置

2)變形測點 塔頂偏位測點為上游2個主塔頂各安裝1個反光棱鏡，共2個；主纜撓度測點為在主纜2個邊跨跨中位置，中跨1/4L，3/8L，1/2L，5/8L，3/4L處各安裝1個反光棱鏡，共7個；均采用徠卡1201測量機器人測量。測點布置和編號方式如圖5所示。

3.2.2工況2～4測點布置

由于舟山小干二橋懸索跨主橋的斷面形式通長一致，因此工況2～4的測點布置圖相同，僅以工況2的測點布置圖為例進行說明。

1)應變測點 主梁采用鋼混組合梁結構，有如圖5a(全鋼結構)和圖5b(鋼梁+預制鋼筋混凝土橋面板)所示2種斷面形式，本次試驗選取此兩種典型斷面布設應變測點。為較準確反映斷面受力特性，鋼結構的單點測點采用振弦式應變計共計29個，混凝土橋面板采用45°應變花共計6片。數據采集時應變花按單條編號讀數，分析時按每片花(3片)合并計算。測點布置和編號方式如圖5所示。

圖5 工況2～4斷面應變測點布置

2)撓度測點 中跨撓度測點按兩側欄桿和中間隔離欄分為3條縱向測線，每條測線按八分點布設橋面撓度測點，共布設27個測點。采用電子水準儀配合銦鋼尺測量，每次測量的基點均在橋梁伸縮縫外。

3.2.3工況5測點布置

根據加載影響線包絡圖，選取靠近小干島側主塔附近的上、下游5對共10根吊桿進行索力增量測試，分別是近小干島側主塔的邊跨靠第1對和第2對，靠近小干島側主塔的中跨第1～3對。吊桿編號為上游SS2，SS1，SM1，SM2，SM3，下游XS2，XS1，XM1，XM2，XM3。測量儀器為索力動測儀，測量方法為振動頻率法。

3.3 試驗條件和試驗方法

鑒于舟山小干二橋為跨海大橋，受海洋天氣影響大，本次荷載試驗選取在夜間無霧、晝夜溫差變化小的2018年3月29日23：00至次日6：00近乎恒溫條件下進行。

本次試驗均采用對稱加載方式，單臺車輛重30t左右。工況1，2的試驗車輛均為36輛，工況3～5的試驗車輛均為18輛。

正式試驗前，組織12輛試驗車對橋面板進行3次預壓，每次預壓時間≥30min，用于消除結構非彈性變形。正式試驗時，分6～8級加載，4～6級卸載。加載過程中，安排專人巡視結構各部位裂縫(焊縫)變化、接頭(后澆帶)拉裂、結構異常響動等現象，每次加載和卸載過程中記錄大氣溫度變化，用于溫度修正。

3.4 靜載試驗數據分析

本次靜載試驗的記錄方式為應變正值為受壓、應變負值為受拉，撓度正值為下沉、撓度負值為上抬，主塔偏位正值為沿縱橋向向小干島側偏移、負值為沿縱橋向向本島側偏移。

3.4.1工況1靜載試驗數據及分析(見圖6和表2)

圖6 工況1靜載試驗數據對比

表2 工況1滿載下主塔縱向位移對比

工況1中塔腳截面應變校驗系數為0.76～0.84，均<1，殘余應變比范圍為0.06～0.12，滿足≤0.2要求，表明所測結構強度達到設計規范要求。

工況1中主纜撓度校驗系數為0.79～0.84，均<1，殘余變形比范圍為0.03～0.16，滿足≤0.2要求；主塔塔頂偏位校驗系數為0.54和0.43，均<1，殘余變形比范圍為0.05和0.04，滿足≤0.2要求，表明所測結構剛度達到設計規范要求。

3.4.2工況2靜載試驗數據及分析(見圖7)

圖7 工況2靜載試驗數據對比

工況2應變校驗系數為0.57～0.85，均<1；殘余應變比范圍為0.04～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測結構強度達到設計規范要求。

工況2橋面撓度校驗系數為0.77～0.85，均<1；殘余變形比范圍為0.03～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測結構剛度達到設計規范要求。

3.4.3工況3靜載試驗數據及分析(見圖8)

圖8 工況3靜載試驗數據對比

工況3應變校驗系數為0.74～0.86，均<1；殘余應變比范圍為0.06～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測結構強度達到設計規范要求。

工況3橋面撓度校驗系數為0.75～0.86，均<1；殘余變形比范圍為0.02～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測結構剛度達到設計規范要求。

3.4.4工況4試驗數據(見圖9)

圖9 工況4靜載試驗數據對比

工況4應變校驗系數為0.57～0.85，均<1；殘余應變比范圍為0.04～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測結構強度達到設計規范要求。

工況4橋面撓度校驗系數為0～0.89，均<1；殘余變形比范圍為0～0.17，滿足≤0.2要求，表明所測結構剛度達到設計規范要求。

3.4.5工況5索力增量數據及分析(見表3)

由表3可得出，在車輛靜力滿載作用下，實測的索力增量均小于理論索力增量且數值較接近，索力校驗系數均<1，表明吊桿安全系數富余，結構處于安全可靠狀態。

表3 索力增量數據

3.5 裂(焊)縫和結構異響監測

在靜載試驗前后及試驗期間，對試驗跨的鋼結構焊縫和混凝土裂縫進行檢查，未發現鋼結構焊縫脫焊或表面裂紋情況，主要受力結構未出現異常響動、失穩、扭曲、晃動等異常現象，整個試驗過程結構無明顯異常現象，試驗過程順利。

4 動載試驗

橋梁結構是一個多變量的復雜系統，當結構出現開裂、斷裂、尺寸變化等物理特性變化時，其固有頻率、阻尼比、振型圖、動力沖擊系數等動參數也會發生變化。

動載試驗是利用車輛激振方式激起橋梁結構振動，測定橋梁結構固有頻率、阻尼比、動應變等參數特性，從而宏觀判定橋梁結構的整體剛度和成橋質量，這是成橋驗收的關鍵環節之一。本次動載試驗包括脈動試驗和跑車試驗2項試驗內容，在靜載試驗完成后的當晚組織進行。

4.1 脈動試驗

脈動試驗是用高靈敏度的拾振器和放大器測量橋梁結構在環境激勵下的振動，通過對拾振器拾取的響應信號進行頻譜和模態分析，得出橋梁的自振頻率、阻尼比和振型圖。

4.1.1試驗方法

2個邊跨分別按四分點、中跨按八分點，在車行道靠非機動車道的兩側各布設17個豎向拾振器，拾取橋梁結構在大地脈動作用下的振動響應，單次采樣時間30min，采樣頻率為51.2Hz。分析得出的前5階自振頻率和阻尼比如表4所示，并選取作為成橋驗收關鍵指標的前3階振型，如圖10～12所示。

圖10 第1階振型

表4 前5階自振頻率和阻尼比

4.1.2試驗數據及分析

圖11 第2階振型

圖12 第3階振型

由表4得出，舟山小干二橋懸索跨主橋前5階固有頻率實測值均大于理論計算值；從圖10～12得出，前3階的實測振型圖與理論振型圖形狀吻合較好，表明該橋的實際剛度大于設計剛度，成橋狀況與設計狀況較接近。

4.2 跑車試驗

4.2.1試驗方法

本次跑車試驗在橋面無任何障礙的情況下，選用2輛30t試驗載重汽車分別以30，40，50km/h的均勻速度通過測試橋跨，以測定該橋在各種行車速度下跨中截面梁底動應變的時程響應曲線，如圖13所示。測試時實施交通管制，儀器采樣頻率為100Hz。

圖13 跑車試驗各車速下動應變時程響應曲線

4.2.2試驗數據及分析

由圖13得出，舟山小干二橋懸索跨主橋在30，40，50km/h車速下，實測的沖擊系數分別為1.024，1.031，1.029，參照規范[8]計算得出理論沖擊系數為1.05。實測的沖擊系數小于理論沖擊系數，表明橋面平整度均較良好，成橋質量好。

5 結語

1)靜載試驗中工況1～4的應變校驗系數為0.57～0.86，均<1，殘余應變比范圍為0.04～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測結構強度達到設計規范要求。

2)靜載試驗中工況1～4的撓度校驗系數為0～0.89，均<1；殘余變形比范圍為0～0.19，滿足≤0.2要求，表明所測結構剛度達到設計規范要求。

3)靜載試驗中工況1的主塔塔頂偏位校驗系數為0.54和0.43，均<1，殘余變形比范圍為0.05和0.04，滿足≤0.2要求；靜載試驗中工況5的實測索力增量均小于理論索力增量，索力校驗系數均<1，表明吊桿安全系數富余，結構處于安全狀態。

4)脈動試驗測定的前5階固有頻率實測值均大于理論計算值，前3階的實測振型圖與理論振型圖形狀吻合較好；以30，40，50km/h跑車試驗測定的沖擊系數均小于理論沖擊系數。這表明舟山小干二橋懸索跨主橋成橋狀況與設計狀況較接近，橋面平整度良好，成橋質量好。