空间曲梁单边悬索桥静载试验方法研究

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

桥梁静荷载试验是结构试验中最基本和最重要的试验，在结构试验中起主导作用。静载试验是用物理力学方法测定和研究结构在最不利位置作用下的反应，分析判定结构的工作状态与受力状况。桥梁结构静载试验是一种主要用于验证桥梁承载力的测试方法，是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，然后测试结构的应变、位移、索力等其他试验项目，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用功能。

1 工程概况

上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索桥由东西2座悬索弯桥组成。桥梁形式为空间悬索结构，主体结构分为主桥、副桥2部分，主桥为异形钢箱梁构造，主桥外缘通过吊索与主缆连接，副桥为“Y”形臂构造，上肢与主桥内缘连接，下肢支撑于张拉环索，环索通过法向索与主桥连接。其中西桥主桥桥面中心线位于R=35.50 m的圆曲线上，总长90 m，桥面宽6 m；内侧副桥桥面中心线位于R=31.50 m的圆曲线上，内侧主梁全长70 m，桥面宽3 m。中跨主缆跨径L1=36 m，边跨跨径L2=27 m。

2 静载试验意义和目的

迪士尼景观桥作为一种新型桥梁，在国内首次应用，目前国内尚无成熟经验可借鉴。因此通过静载试验对桥梁承载能力及工作性能进行验证显得尤为重要。通过静载试验还能够验证设计理论及计算方法是否正确，对完善空间悬索人行桥的设计理论、计算方法以及施工方案有重要作用。

该桥通过静载试验，预期达到以下目的[1-3]：

1）验证桥梁在使用荷载组合下的净空高度；

2）测定桥梁在设计荷载作用下的吊索力、背索力、钢箱梁应力，并与理论计算值进行对比；

3）试验结果用于检验结构理论计算和实际状态间的偏差，验证桥梁承载力与可靠性。测量数据作为桥梁最终验收的依据；

4）静载试验结果可作为动载试验方案编制的依据；

5）为科学研究积累试验资料，以利于进一步完善此类桥梁的设计、施工、试验、验收等工作。

3 桥梁静载试验验证内容

桥梁试验荷载效应计算是在设计内力计算结果的基础上，确定加载位置、加载等级以及在试验荷载作用下结构反应大小的过程，也是一个反复试算的过程。

本工程为大跨度空间悬索钢结构桥，考虑到本工程结构形式特殊且类似工程较少，拟通过静载试验验证其安全性与适用性。

3.1 安全性验证

通过理论计算分析，本工程有如下最不利承载能力状态：

1）当活荷载沿全桥满载分布时，桥梁背索力与绝大部分钢结构应力将达到最大值。

2）当活荷载沿全桥3/4跨满载分布，另外1/4跨空载（即偏载）时，桥梁的吊索力将达到最大值。

因此，本工程的承载能力验证主要由索力、应力2方面构成。其中索力主要检测背索及与索塔连接的⑤轴与轴吊索，应力主要监测主桥钢箱梁与副桥“Y”形臂。

3.2 适用性验证

为满足使用阶段通航的要求，需验证本工程的净空高度。净空高度的验证主要通过测量桥梁在满载状态下的跨中位移来实现。

4 加载方案研究

4.1 设计活荷载

迪士尼景观桥设计活荷载为人群荷载和自行车荷载，工况考虑了极限大人流满布桥面和桥面局部偏载情况。

设计活荷载分布如图1所示。

图1 设计活荷载分布模式

模式1～模式4的设计活荷载，内侧桥板为4.80 kN/m2，外侧桥板为4.30 kN/m2；模式5～模式7的设计活荷载，内侧桥板为4.10 kN/m2，外侧桥板为3.80 kN/m2；模式8的设计活荷载，内侧桥板为3.60 kN/m2，外侧桥板为3.30 kN/m2；模式9的设计活荷载，内侧桥板为3.00 kN/m2，外侧桥板为2.80 kN/m2。

4.2 加载方案

由于桥梁静载试验为鉴定荷载试验，试验荷载原则上尽量采用与设计标准荷载相同的荷载，但由于客观条件的限制，实际采用的试验荷载很难与设计标准荷载一致。

由于受到场地吊装条件的限制，为充分利用抽水方便的条件，故本桥静载试验的加载采用水袋加载的方式，通过水袋中充水多少反映桥面施加荷载的大小。采用水袋加载不仅减少人工搬运工作量，而且提高了荷载布置均匀性，为最大限度地反映设计荷载布置情况创造了条件。

由于在试验过程中玻璃、栏杆、二期铺装等都没有安装，不能成为真实模拟最终成桥后的实际受力情况，故此次静载方案将这类荷载全部考虑在内，如表1所示。

表1 试验荷载情况一览（单位：kN/m2）

为提高试验的安全性，并获得加载过程桥梁结构在不同荷载作用下的受力反应，采用分级加载方式。试验时先验证满布荷载，然后验证偏载，加载时先加载副桥后加载主桥，副桥及主桥均按2次加载，如表2、图2～图4所示。

表2 荷载分级加载（单位：kN/m2）

5 监测内容与测点布置选择

桥梁静载过程中需要通过监测相关数据来验证桥梁结构受力反应。从桥梁安全性和适用性验证目的出发，静载试验过程中的监测内容有主桥、副桥变形、钢箱梁应变、主缆索力、吊索索力、背索索力、塔顶位移等[4-6]。

应变观测：在试验过程中对每个工况的每级加载应变进行数据采集，应变观测应包括初应变、每个工况对应的弹性应变、残余应变等，并及时与理论值进行对比分析。

图2 西桥全跨满载示意（单位: kN/m2）

图3 西桥3/4跨满载示意（单位: kN/m2）

图4 加载试验现场

索力观测：在试验过程中对每个工况的每级加载索力进行数据采集，并将检测数据与理论值进行对比分析。

桥梁变形：静载试验过程中对索塔塔顶、桥梁结构进行空间位移和水平沉降监测。

测量设备拟采用全站仪、水准仪、索力动测仪、振弦式应变计。观测记录应记录好时间、温度、工况、特殊情况等详细情况[7-9]。

主副桥及钢箱梁的位移测点与应力传感器布置如图5～图7所示。

图5 主桥应力测点布置示意

图6 副桥“Y”形臂应力及位移测点布置示意

6 结语

荷载试验是验证桥梁承载力和结构性能的手段，也是桥梁质量验收的重要依据。因此桥梁静载试验方案直接关系到试验是否能达到静载试验的目的。迪士尼景观桥为新型空间悬索人行桥，通过深入研究桥梁结构特点并结合静载试验目的，制订了水袋分级加载的静载方案，并明确了监测内容及监测点的布置，静载方案全面地反映了试验加载和监测全过程，为日后其他类似桥梁提供了借鉴[10]。

图7 钢箱梁应力及位移测点布置示意