大跨度懸索橋靜載試驗及多種撓度測試方法對比分析

樊 鋒，張 欣

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

超大跨徑懸索橋因其跨越能力強、跨徑越大單位造價越低等優(yōu)點而成為超千米級橋梁中最重要的橋型。大跨徑橋梁成橋后需進行成橋荷載試驗，以檢驗其工程質(zhì)量是否滿足規(guī)范要求。通過對主跨1 200m的虎門二橋(南沙大橋)大沙水道橋進行靜載試驗，對撓度、應(yīng)變、索力等靜力參數(shù)進行測試，結(jié)果表明，該橋強度、剛度滿足相關(guān)規(guī)范要求，成橋質(zhì)量良好。該橋試驗結(jié)果可為千米級懸索橋荷載試驗及其受力性能研究提供工程實例參考。

橋梁靜載試驗撓度測試通常采用靜力水準(zhǔn)儀或接觸式位移計等方法。千米級懸索橋由于其超大跨度、撓度變形大等特點，傳統(tǒng)方法無法對超大跨度橋梁進行準(zhǔn)確、高效的撓度測試。本文以虎門二橋(南沙大橋)靜載試驗為背景，采用多種創(chuàng)新性撓度測量方法—封閉式連通管法、微波雷達法、圖像法進行撓度測量，同時以行業(yè)認可度高的傳統(tǒng)方法全站儀法同步進行撓度測量，通過對比測試驗證撓度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及分析各種撓度測量方法在超大跨度橋梁靜載試驗撓度測量中的可行性。

1 工程概況

虎門二橋(南沙大橋)項目是2019年建成通車的珠江口重要通道，是粵港澳大灣區(qū)又一超級橋梁工程?；㈤T二橋(南沙大橋)建設(shè)有兩座超千米的跨海特大橋，其中本文作為工程背景的大沙水道橋橋型為主跨1 200m的雙塔單跨懸索橋，矢跨比為1:9.5。主纜橫向間距42.1m，采用預(yù)制平行鋼絲通長索股，單根主纜由169股索股組成，塔頂位置設(shè)置主索鞍，錨碇位置設(shè)置散索鞍，主纜在塔頂位置通過主索鞍支撐于塔頂，實現(xiàn)纜、鞍、塔之間不相互滑動，主纜在錨碇位置通過散索鞍分散錨固于錨碇。吊索采用平行鋼絲吊索，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.8m，共92對吊索。索塔采用門式索塔，塔高193.1m，設(shè)上、下兩道橫梁。主梁采用整體式鋼箱梁，全寬44.7m，高4m。大沙水道橋主梁在橋塔位置設(shè)橫向抗風(fēng)支座、豎向拉壓支座和阻尼器。左右幅行車道凈寬共37.5m，按雙向8車道設(shè)計。

2 成橋靜載試驗

2.1 理論計算模型

大沙水道橋理論分析采用大型橋梁專業(yè)有限元軟件Midas Civil。計算模型分為主纜、主塔、鋼箱梁、吊索等子結(jié)構(gòu)，主纜、吊索采用桁架單元模擬，鋼箱梁、主塔采用梁單元模擬。主塔承臺底部和錨碇采用固結(jié)方式處理，吊索與主纜采用共節(jié)點方式連接，吊索與主梁采用剛性連接，主梁支座采用彈性連接模擬，主塔與主纜采用剛性連接。

圖1 大沙水道橋橋型布置

懸索橋具有跨度大、剛度小等特點，需要考慮結(jié)構(gòu)的大位移非線性力學(xué)特性，是懸索橋有限元建模有別于其他橋梁結(jié)構(gòu)建模的特點。目前對大跨懸索橋的結(jié)構(gòu)分析一般采用以有限位移理論為基礎(chǔ)的幾何非線性有限元法[1-2]，midas軟件具備實用的懸索橋分析功能，以節(jié)線法為基礎(chǔ)計算懸索橋的初始平衡狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進行荷載試驗的計算分析。

圖2 大沙水道橋計算模型

2.2 試驗工況

大沙水道橋為雙塔單跨懸索橋(跨徑布置為360m+1200m+480m)，針對該結(jié)構(gòu)的特點，依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)[3]中關(guān)于懸索橋荷載試驗規(guī)范的要求，大沙水道橋的靜載試驗工況設(shè)置見表1。

表1 靜載試驗工況與荷載效率

2.3 試驗加載

根據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合以往類似橋梁的加載方案經(jīng)驗，依據(jù)理論計算模型，計算并制定本橋靜載試驗加載方案[1]。除主塔工況外，其他各工況的荷載效率介于0.91～1.03之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的要求。由于主塔設(shè)計內(nèi)力和剛度較大，如要達到規(guī)范要求的荷載效率需近140臺加載車，試驗荷載太大可能對橋梁結(jié)構(gòu)造成內(nèi)力過大或局部不可逆損傷。出于安全考慮，降低主塔相關(guān)工況的荷載效率(0.61～0.62)，從而使靜載試驗既滿足檢驗設(shè)計、驗證橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的目的，又能使靜載試驗在安全可控的范圍內(nèi)。經(jīng)加載方案設(shè)計與合并，各工況試驗載車數(shù)量為64～80臺。典型工況的載位布置如圖3所示。

圖3 L/4截面加載

2.4 測試內(nèi)容

2.4.1 主梁

在主梁工況下測量全橋主梁撓度，主跨按八等分點進行撓度測點布設(shè)；對控制截面應(yīng)變進行測量。在L/4截面加載工況對主梁梁端位移進行測量。

2.4.2 纜索體系

在主梁工況下測量主纜撓度和線形，主纜按八分點進行撓度測點布設(shè)。在L/4截面加載工況對典型吊索索力增量進行測量,在主塔加載工況對典型主纜錨跨拉力增量進行測量。

2.4.3 索塔

在主塔加載工況下測量主塔塔頂水平位移，對主塔根部應(yīng)變進行測量。

2.4.4 觀測項

在各加載工況下，對易損構(gòu)件伸縮縫、支座、阻尼器進行觀測；對索鞍相對位移、索夾相對滑移、錨碇水平位移進行觀測；對試驗過程中關(guān)鍵構(gòu)件是否存在異常情況進行監(jiān)測。靜載試驗測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置

2.5測試結(jié)果

2.5.1 主梁、主纜撓度

撓度測試結(jié)果如圖5～圖8所示，可見：試驗荷載作用下主梁撓度曲線平順，實測變形規(guī)律符合結(jié)構(gòu)受力特征；實測撓度值均小于理論計算值，表明主梁豎向剛度滿足設(shè)計要求；撓度相對殘余較小，表明該截面在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)；主梁、主纜撓度變形基本一致，表明大橋整體變形協(xié)調(diào)性好。

圖5 L/4工況各級加載作用下?lián)隙惹€

圖6 L/4工況滿載作用下實測與理論撓度曲線

圖7 L/4工況實測與理論撓度隨荷載效率變化情況

圖8 主梁、主纜撓度曲線對比

2.5.2 主梁應(yīng)變

梁底拉應(yīng)變實測平均值小于計算值，說明該控制截面的強度滿足設(shè)計要求。卸載后，測試截面底板測點的平均相對殘余應(yīng)變?yōu)?7%，表明鋼箱梁應(yīng)變在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。各測點實測數(shù)據(jù)表明鋼箱梁整體受力性能良好，典型截面應(yīng)變測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 應(yīng)變測試結(jié)果(拉為負、壓為正)

2.5.3 吊索索力

試驗荷載作用下，主梁L/4斷面附近的23#吊索實測索力增量如圖10所示。單根吊索索力增量均小于設(shè)計值，表明吊索工作性能滿足設(shè)計要求。

圖10 試驗荷載作用下索力增量變化

2.5.4 主梁梁端位移

試驗荷載作用下，主梁梁端縱向位移實測值均小于設(shè)計值，表明鋼箱梁縱向工作性能符合設(shè)計要求。

圖11 主梁梁端位移隨荷載效率變化

2.5.5 主塔水平位移

試驗荷載作用下，主塔水平縱向偏位實測值小于設(shè)計值，表明橋塔縱向剛度滿足設(shè)計要求。主塔縱向位移測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 主塔縱向位移隨荷載效率變化

2.5.6 主塔塔根應(yīng)變

主塔根部截面應(yīng)變實測值均小于設(shè)計值，表明該控制截面強度滿足設(shè)計要求。卸載后，測試截面測點的最大相對殘余較小，表明塔根截面在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

2.5.7 錨跨拉力

試驗荷載作用下，主纜錨跨索股實測索力增量如圖13所示。索股張力增量均小于設(shè)計值，表明主纜工作性能滿足設(shè)計要求。

圖13 荷載作用下錨跨拉力增量變化

2.5.8 觀測項

在試驗荷載作用下，支座、伸縮縫、阻尼器等易損構(gòu)件無異?，F(xiàn)象，主索鞍、散索鞍未發(fā)生明顯的相對滑移現(xiàn)象，錨碇未發(fā)生水平位移現(xiàn)象，表明大橋整體狀態(tài)良好。

2.6 靜載試驗結(jié)果分析

大沙水道橋靜載試驗主要測試結(jié)果見表2，各測試參數(shù)校驗系數(shù)均滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的相關(guān)要求。試驗過程中結(jié)構(gòu)處于正常的工作狀態(tài)，未見異常情況，表明大沙水道橋結(jié)構(gòu)總體受力特征與理論計算基本一致，結(jié)構(gòu)總體靜力各項指標(biāo)良好，滿足設(shè)計要求。

表2 靜載試驗測試結(jié)果

3 多種撓度測試方法對比分析

3.1 封閉式連通管撓度測量

連通管撓度測量的基本過程：在每個撓度測點布置壓力傳感器，布設(shè)封閉式連通管道在全橋建立局部水壓力場，通過檢測測點位置壓力傳感器的水壓變化，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)壓力場與結(jié)構(gòu)撓度的對應(yīng)關(guān)系，測量橋梁結(jié)構(gòu)的撓度[4-5]。封閉式連通管撓度測量原理如圖14所示。圖示符號t時刻測點i的變形變化量δi(t)：

圖14 連通管法撓度測量基本原理

式中：Hi(t)為t時刻測點i與基準(zhǔn)點的高差，H=P/ρg。

3.2 微波雷達撓度測量

基于微波雷達技術(shù)的撓度測量方法采用微波干涉原理，通過兩次發(fā)射和接收的電磁波相位差確定橋梁的撓度變化,如圖15所示。測試時，微波雷達設(shè)備測量出其儀器中心到目標(biāo)測點的徑向距離r及該視線上長度的微小變化dr，此外還需測量出儀器到測點之間的垂直高度h，然后通過三角形相似關(guān)系，將徑向的變化量dr轉(zhuǎn)換為豎直方向上的撓度值d[6]，即：

圖15 微波雷達測量橋梁撓度原理

3.3 圖像撓度測量

基于圖像法的撓度測量，是通過相機在兩個不同位置拍攝目標(biāo)結(jié)構(gòu)，記錄兩個拍攝位置的間距。通過算法對兩個圖像進行匹配，配合預(yù)先標(biāo)定的相機系統(tǒng)的內(nèi)參結(jié)果對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行三維重構(gòu)。通過相機進行持續(xù)的光學(xué)測量，采集結(jié)構(gòu)變形過程的連續(xù)性圖像，通過算法將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的實際撓度[7]。

3.4 撓度測試結(jié)果對比分析

在大沙水道橋荷載試驗中，采用封閉式連通管法、微波雷達法、圖像法分別對橋梁撓度進行測量，同時采用行業(yè)認可度高的傳統(tǒng)方法全站儀進行對比校核。在L/4截面加載工況下四種方法對控制截面的撓度測試結(jié)果對比見表3和圖16所示。

表3 不同測試方法撓度測試結(jié)果對比(單位：mm)

圖16 不同測試方法撓度測試結(jié)果對比

從撓度對比結(jié)果可以看出，連通管法、微波雷達法、圖像法測試撓度值均與全站儀測試結(jié)果基本一致(微波雷達法前三級加載與其他方法相差不少是因為測點橫向位置不同，微波雷達測點在箱梁中間，其他方法測點在箱梁右側(cè))，滿載作用下3種方法與全站儀測試結(jié)果偏差在±0.4%以內(nèi)，滿足大跨度橋梁撓度測試的要求。

4 結(jié)語

(1)對虎門二橋(南沙大橋)大沙水道橋進行靜載試驗，對撓度、應(yīng)變、索力等靜力參數(shù)進行測試，測試結(jié)果表明該橋強度、剛度滿足規(guī)范要求，成橋質(zhì)量良好，可為類似大跨度懸索橋的靜載試驗提供經(jīng)驗參考。

(2)相同工況下分別采用連通管法、微波雷達法、圖像法以及全站儀測試大跨徑懸索橋主梁撓度，通過對比可知三種創(chuàng)新性方法具有足夠的精度，均可滿足撓度測試需求，為大跨徑橋梁的撓度測試提供了更多可供選擇的測試方法。