山東東營黃河公路大橋荷載試驗方案

/山東東營黃河公路大橋荷載試驗方案哈爾濱工業(yè)大學長沙理工大學公路工程試驗檢測中心二〇〇五年五月東營黃河公路大橋荷載試驗方案哈爾濱工業(yè)大學和長沙理工大學公路工程試驗檢測中心受山東省東營黃河公路大橋工程建設項目辦公室和山東省交通建設質(zhì)量監(jiān)督站的委托，對東營黃河公路大橋主橋進行荷載試驗，檢測內(nèi)容主要是連續(xù)剛構(gòu)橋的靜載和動載試驗?，F(xiàn)提交荷載試驗方案如下。一、荷載試驗目的橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進行直接測試的一種鑒定手段。由于大橋的跨徑較大，設計、施工技術(shù)難度較大，另外，根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，大型橋梁竣工后應進行生產(chǎn)鑒定性質(zhì)的試驗，因此，本次交工荷載試驗力求達到以下目的：1.通過現(xiàn)場加載試驗以及對試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的綜合分析，檢驗本橋設計與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，為竣工驗收提供技術(shù)依據(jù)；2.直接了解橋跨結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，判斷實際承載能力，評價其在設計使用荷載下的工作性能；3.驗證設計理論、計算方法和設計中的各種假定的正確性與合理性，為今后同類橋梁設計施工提供經(jīng)驗和積累科學資料；4.通過動載試驗測定橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動特性以及其在長期使用荷載階段的動力性能，評估實際結(jié)構(gòu)的動載性能；5.通過荷載試驗，建立橋梁健康模型，記錄橋梁健康參數(shù)。二、荷載試驗依據(jù)(1)．《東營黃河公路大橋及接線工程－兩階段施工圖設計（修訂版）》（主橋工程）；(2)．《東營黃河公路大橋工程監(jiān)測工作服務合同協(xié)議書》；(3)．中華人民共和國交通部部頒標準《公路橋涵設計規(guī)范》（89）；(4)．中華人民共和國行業(yè)標準《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTJ071－98）；(5)．中華人民共和國交通部部頒文件《公路工程竣工驗收辦法》（交公路發(fā)[1995]1081號文）；(6)．中華人民共和國行業(yè)標準《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTJH11－2004）；(7)．《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（“鐵組”YC4－4/1978科研專題）；(8)．中華人民共和國交通部《公路工程技術(shù)標準》（JTJ001－97）。三、工程概述東營黃河公路大橋工程位于山東省東營市，南北跨越墾利縣和利津縣，在現(xiàn)勝利黃河大橋下游約5公里處跨越黃河，距黃河入?？诩s70km，是目前黃河下游地最后一座橋梁。該項目是國家規(guī)劃的“五縱”、“四橫”干線公路網(wǎng)及山東省綜合運輸網(wǎng)主框架的重要組成部分，是膠東半島、黃河三角洲與京津唐地區(qū)聯(lián)系的重要通道。東營黃河公路大橋按高速公路標準建設，全長2743.1m，為雙向4車道，橋?qū)?6m，設計行車速度100km/h，設計荷載汽－超20，掛－120；主橋為116+200+220+200+116m預應力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)組合梁，主墩為壁厚1.8m、中心距8m的雙薄壁墩；其他各墩均為矩形截面實體墩；引橋為45孔跨徑42m的先簡支后連續(xù)的箱梁，下部為直徑1.8m的鋼筋混凝土柱式墩。全橋均為鉆孔灌注樁基礎。該橋的承建單位是中鐵十四局三公司。橋型立面布置圖參見圖1。圖1東營黃河公路大橋主橋靜、動載試驗測試斷面布置圖四、荷載試驗內(nèi)容東營黃河公路大橋荷載試驗的內(nèi)容如下：1靜載試驗1）測試試驗橋主梁控制截面的最不利彎矩，剛構(gòu)墩墩頂截面、墩底截面最不利彎矩。連續(xù)梁跨中彎矩與剛構(gòu)墩彎距是橋梁的設計控制指標，跨中混凝土應力和剛構(gòu)墩應力能較好地反映設計和施工質(zhì)量情況。2）支點、1/4截面最不利剪力和主拉應力加載試驗。支點截面的剪力是設計中的重要控制參數(shù)，而1/4截面的主拉應力往往是影響箱梁腹板開裂的重要因素。3）測試主梁控制截面撓度及剛構(gòu)墩墩頂水平位移。滿足正常使用對結(jié)構(gòu)的剛度要求，體現(xiàn)在跨中撓度應小于設計計算值或規(guī)范規(guī)定的允許值。測試斷面及測點布置見圖1和圖2，靜載試驗過程測試圖中所示各測試截面應力及沿截面高度的分布規(guī)律，1－1、2－2、3－3截面撓度，7#、8#、11#、12#墩支座縱向水平位移，9#墩墩頂10#、11#斷面縱向水平位移。2動載試驗測定主橋結(jié)構(gòu)的自振特性、受迫振動特性、動應力、動位移。測試斷面及測點布置見圖1和圖2，動載試驗過程應測試全橋結(jié)構(gòu)1～5階自振特性（包括自振頻率、振型和阻尼特性），在動荷載作用下，受迫振動的振動特性（包括頻率、振型、振幅、加速度和動力系數(shù)等），圖中所示各測試截面在動荷載作用下的動應力及沿截面高度的分布規(guī)律，圖中1－1、2－2、3－3截面動撓度，9#墩頂、10#、11#斷面縱向水平位移，7#、8#、11#、12#墩支座縱向水平位移。具體試驗項目為：1)脈動試驗，用于測定結(jié)構(gòu)固有振動特性（振型、臨界阻尼比、固有模態(tài)頻率）；2)無障礙行車試驗，主要用于測定橋面鋪裝層完好時在運行車輛荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動力反應；3)有障礙行車試驗，模擬橋面鋪裝層局部損傷，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力反應；4)剎車試驗，測試車輛緊急剎車的應力動態(tài)增大效應系數(shù)和主梁的縱向漂移位移。3主橋技術(shù)狀況檢查主要內(nèi)容為：結(jié)構(gòu)尺寸，各部位高程、橋面平整度、支座位置、工程材料的物理力學性能、結(jié)構(gòu)缺陷、裂縫、損壞等情況，以及加載過程中和試驗完成后結(jié)構(gòu)的檢查對比。具體按交通部《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》進行，其中部分無法測得的，施工過程中已完成的結(jié)構(gòu)尺寸和工程材料的物理力學性能等內(nèi)容參照監(jiān)理提供的數(shù)據(jù)。4橋梁受力空間有限元模型及其分析建立該橋空間有限元模型，對其進行活荷載作用下的受力分析，將計算結(jié)果與設計結(jié)果進行比較（業(yè)主提供橫荷載和活荷載作用下橋梁受力和變形的設計結(jié)果），將其作為該橋的基本模型。在成橋試驗后，根據(jù)荷載試驗結(jié)果，將進一步修正該有限元模型，以作為該橋梁的健康模型。五、測試方法和測點布置根據(jù)上述測試內(nèi)容，采用精密水準儀在橋面上對支座處、跨中、截面的撓度進行同步觀測。其中各工況的每一個加、卸載均進行全橋的水準測量、梁的水平位移測量和梁端轉(zhuǎn)角測量，而應變測量主要進行圖1中測試截面的應變測量工作。(1)結(jié)構(gòu)靜應變測試主要采用光纖光柵解調(diào)儀和光纖光柵傳感器。主梁各截面的應變測點布置見圖2。圖2箱梁截面測點示意圖(2)撓度（沉降）測試儀器和方法。采用水準儀測量，撓度測點布置見圖3。(3)主梁縱向水平位移和梁端轉(zhuǎn)角分別采用全站儀和轉(zhuǎn)角儀。圖3水準測量測點布置示意圖(4)測量結(jié)構(gòu)溫度場測試主要采用光纖光柵溫度傳感器。(5)動力測試主要儀器為：傳感器用超低頻加速度傳感器，最低測試頻率可達0.05Hz，分析系統(tǒng)采用CRAS信號采集和分析系統(tǒng)以及INV智能信號自動采集處理分析系統(tǒng)。六、靜載試驗加載車輛與荷載效率1靜載試驗車輛本次荷載試驗車輛由業(yè)主組織，試驗中共需30t車輛18輛，其前軸重量為6t，兩后軸重量均為12t。試驗車輛主要技術(shù)指標見下表，車輛需配重，并過磅。表1自卸車技術(shù)指標L1L2車型軸距（mm）輪距（mm）L1L2前輪輪自卸汽車40001400180018002靜載試驗荷載效率橋梁靜力荷載試驗主要是通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗荷載作用下的變形與內(nèi)力，確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設計期望值是否相符。它是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際性能，如結(jié)構(gòu)的強度、剛度等最直接有效的辦法。本橋單幅橋面寬為12.8米，兩側(cè)各0.5m防撞墻。根據(jù)汽超－20、掛－120的設計荷載標準，采用等效荷載的原則，在所測試截面的內(nèi)力影響線上，按最不利位置進行布載，計算出跨中控制截面在試驗荷載作用下的最大內(nèi)力值，它與按設計規(guī)范要求布置荷載作用下的跨中控制截面的理論內(nèi)力值的比值即是靜載試驗荷載效率η。橋梁的靜力試驗按荷載效率η來確定試驗的最大荷載，靜力荷載效率式中：：試驗荷載作用下檢測部位變形或內(nèi)力的計算值；：設計標準荷載作用下檢測部位變形或內(nèi)力的計算值；：設計取用的動力系數(shù)，取為1。本次試驗為成橋荷載試驗，根據(jù)《試驗方法》要求，靜力荷載效率η取值宜在0.8～1.05之間。通過反復比較計算，擬采用的靜力荷載效率η值在0.87～1.03之間，符合《試驗方法》的要求。進行荷載試驗布載時，考慮到原合同方案中的墩頂最大縱向位移方案中，加載后最大縱向位移僅6mm，其測試已沒有工程意義，考慮增加剛構(gòu)橋墩9－9截面的最大彎距作為試驗工況，測試墩身受力和變形情況。荷載試驗時，根據(jù)靜載數(shù)量和橋梁跨徑等條件，分成3級加載，分別為控制截面內(nèi)力的60%、80%、100%。在某一加載實驗項目中，加載方式為單次逐級遞加到最大荷載，然后分次卸到零荷載。七、試驗車輛布置以下圖中尺寸均以厘米計。1．中跨1-1截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖4加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η2．次邊跨2-2截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖5加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η3．邊跨3-3截面最大正彎矩工況（含最大撓度工況）（1）荷載布置圖圖6加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η4．中跨12-12截面最大負彎矩工況（1）荷載布置圖圖7加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η5．中跨4-4截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖8加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η6．次邊跨6-6截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖9加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η7．次邊跨14-14截面最大剪力工況（1）荷載布置圖圖10加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η8．9＃墩9截面最大彎距工況（1）荷載布置圖圖11加載汽車輪位布置圖（2）靜力荷載效率η八、動載試驗動載試驗主要是測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振和受迫振動特性，借以分析橋梁的抗震能力和沖擊系數(shù)。1橋梁自振特性測試（脈動試驗）脈動試驗利用橋梁在各種隨機環(huán)境激勵（包括地脈動、風、水流等等）下引起的振動響應，采集速度信號，分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性（固有頻率、振型和阻尼比），為橋梁的動力響應分析（抗風、抗震、動荷載響應分析等等）提供參數(shù)。對于本橋，主要測試前3階主梁豎向彎曲振型的固有振動特性。脈動試驗采用32通道數(shù)據(jù)信號采集分析系統(tǒng)CRAS6.0或INV306D分別進行試驗，采用超低頻（最低采樣頻率可達0.05Hz）的991型單向傳感器，用小速度檔采集信號，以更好分析低頻。脈動試驗采用固定一測點為參考點，移動另外一個測點的方法進行，按主梁豎平面豎向振動采集數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)信號分析得到全橋的各階固有振動特性。2受迫振動動載試驗對橋梁受迫振動特性的量測是利用一輛20t的汽車，在橋面上分別以不同的速度進行跑車、在高度為15厘米的墊木上由后輪自由下落（跳車）以及急剎車進行激勵振動1）受迫振動動載試驗內(nèi)容(1)、無障礙行車試驗橋面無任何障礙的情況下，采用一輛載重汽車在行車道，以10km/h～60km/h速度駛過試驗橋跨。測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載的作用下動力反應。根據(jù)橋梁振動的最大應力幅值求出最不利車速和橋梁在動荷載下的動應力增量。(2)、有障礙行車試驗在跨中中線截面設置高度為15cm的障礙物（三角墊塊），模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，試驗車駛過障礙物，測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面平整度不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的反應。(3)、剎車試驗采用一輛載重汽車以30km/h速度行駛跨中截面中線處進行緊急制動，測定主梁的振幅、相應截面的動應變及其增量等，以判斷橋梁在緊急制動時的動力系數(shù)。3）動載試驗的測點布置無障礙行車試驗與有障礙行車試驗測點布置在中跨的跨中截面。4）動載試驗儀器分析系統(tǒng)采用CRAS信號采集和分析系統(tǒng)以及INV智能信號自動采集處理分析系統(tǒng)。九試驗組織與安全保障1試驗組織機構(gòu)為使東營黃河公路大橋荷載試驗能夠順利進行，保證大橋按時通車，建議成立東營黃河公路大橋荷載試驗指揮小組和東營黃河公路大橋荷載試驗小組，試驗指揮小組指揮長由業(yè)主擔任，設計、試驗、施工、監(jiān)理單位派員參加，負責組織、協(xié)調(diào)處理和確定在施工過程可能出現(xiàn)的各種問題。試驗小組組長由試驗方人員擔任，具體負責荷載試驗有關(guān)事宜。2安全保障體系1)結(jié)構(gòu)安全保障由各工況影響線正確計算出加載車輛數(shù)和加載位置，使各工況既滿足加載效率要求，又確保結(jié)構(gòu)安全。對特殊部位進行詳細計算以避免給結(jié)構(gòu)帶來不利影響。試驗前后加載車輛進出場，以及試驗期間加卸載時，在非試驗區(qū)段，嚴格注意車輛荷載不要超載。在試驗區(qū)時，車輛按指揮人員行駛、就位、停放。2)試驗車輛調(diào)配根據(jù)試驗工況，制定詳細的全程車輛行駛線路，并派專人負責指揮交通，確保車輛進橋、出橋安全。所有車輛駕駛?cè)藛T將嚴格按照試驗操作規(guī)程及安全生產(chǎn)條例作業(yè)。3)試驗人員和試驗設備的安全試驗人員嚴格遵守安全生產(chǎn)操作規(guī)程，服從指揮人員的安排。對加載車司機進行培訓。夜晚試驗時，作業(yè)面安裝足夠的照明設備，橋面設置一定安全防護設施，確保人員安排。當試驗準備工作開始后，各種試驗儀器及大量導線會陸續(xù)上橋安裝到位，進行試驗前的各項調(diào)試。在正式荷載試驗前，安排專人對各項試驗設備看守。試驗以及試驗準備期間，應禁止無關(guān)人員及車輛上橋。4)配合東營黃河公路大橋的荷載試驗是一個巨大的系統(tǒng)工程，只有在試驗指揮小組的指導下各方面密切配合，方能取得圓滿成功。希望在現(xiàn)場試驗過程中，有關(guān)方面尤其是施工單位能夠大力協(xié)助配合試驗工作。具體配合事項：(1)電源及照明，在試驗現(xiàn)場接通220V電源，供儀器和照明用