巴东长江公路大桥静动力试验措施

1、湖北省巴东长江公路大桥成桥静动力实验实验方案湖南湖大土木建筑工程检测中心湖北省公路水运工程测试中心2004年4月5日1前言湖北省巴东长江公路大桥是国道209线在鄂西恩施自治州巴东县境内跨越长江的一座特大型桥 梁。主桥为五跨连续双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组合为40+130+388+130+40m)， 其上部结构采用梁板体系，A形索塔，承台以上塔高为212m，迄今为国内最高。桥面索距 8.0m，桥面总宽19.0，横向4车道。引桥为4X40 了解桥跨结构的实际工作状态，检验结构的整体受力性能；(2检验桥跨结构的设计与施工质量，确定工程的可靠性，为该桥顺利的投入运营提供可靠 依据；(3积累实验

2、资料，一方面为该桥的长期监控提供完整的初始状态信息，另一方面也为同类 桥梁的设计、施工提供参考资料；(4开展科学研究，探讨斜拉桥的受力特点，建立准确的力学模式，完善斜拉桥设计计算的 基本理论。2.2实验依据1)中华人民共和国交通部标准：公路桥涵设计通用规范JTJ021-89)2 )中华人民共和国交通部标准：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ023-89)3)中华人民共和国交通部标准：公路斜拉桥设计规范试行)JTJ027-96)4)中华人民共和国交通部标准：公路工程技术标准JTJ001-97)5)“铁组” YC4-4/1978科研专题：大跨径混凝土桥梁的实验方法1985)6)湖北省

3、交通规划设计院：巴东长江公路大桥施工设计图2001.3)3实验内容为了对新建桥梁的质量进行鉴定，通过一定的实验手段，对桥梁的主要质量指标 如混 凝土质量、钢材焊接质量、检验荷载作用下桥梁的最大挠度或挠曲线、控制截面上的应力等） 进行测试，根据已测得的这些基本数据，对新建桥梁的质量进行评定。这种实验可以用来检验 设计理论以及施工质量，为即将投入使用的桥梁的运营、养护提供依据。桥梁荷载实验一般可分为静载实验和动载实验。所谓静载实验就是将静止的荷载作用在 桥梁上的指定位置，然后对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥 梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力做出评价；动载实验则是利

4、用某种激振方法激起桥 梁结构的振动，然后测定其固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而 判断桥梁结构的整体刚度和行车性能。目前桥梁结构动载实验主要包括两方面内容：一是测量 在移动车辆荷载作用下桥梁指定断面上的动应变或指定点上的动挠度；二是测量桥梁结构的自 振特性和动力响应。据此，巴东长江公路大桥成桥荷载实验分为以下四部分：1）主桥静载实验2）主桥动载实验3）引桥静载实验4）引桥动载实验4.主桥静载实验静载实验主要是通过测量桥梁结构在静力荷载作用下各控制截面的应力及结构变形，从 而确定桥梁结构实际工作状态，这是检验桥梁的结构性能及工作状态最直接、最有效的方法。4.1静载实验基本

5、原则静载实验拟采用三轴载重汽车加载，根据各控制截面加载效率系数控制在0.8-0.9以及满 足实验要求下尽可能减少加载用车数量的原则，拟采用单车重280KN的车辆加载，其轴重、轴 距及平面布置如图4-1所示。图4-1实验中各工况下所需要口载汽车轴重、轴距及平面图（单位：m的加载车辆数，将根据设计标准活载汽-超20级）产生的的最不利效应值按等效原则换算而得。根据大跨径混凝土桥梁实验方法中的规定况下实，验荷载一方面应保证结构的安全性，另一方面又应能充分暴露结构的承载能力，一般:式中：静载实验荷载效率系数；r 实验荷载作用下，检测部位荷载效应的计算值；一一设计标准荷载作用下，检测部位荷载效应的计算值;

6、一一设计取用的动力系数。4.2主桥各测试断面静载实验荷载效率系数主桥各测试断面如图4-2所示：图4-2加载控制截面位置及编号图单位：cm）各断面的静载实验荷载效率系数见表4-1：截面号A-AB-BC-CD-DE-E标准活载弯矩KN.m)-381291950387811457024135实验荷载弯矩KN.m)-316701687077041186021220荷载效率系数0.8310.8650.8770.8140.879表4-1主桥各测试断面静载实验荷载效率系数4.3测试断面及测点布置4.3.1测试断面的确定根据该桥的结构特点，拟定加载控制截面如下：1) 388m主跨跨中截面；2)主塔0号块无索区

7、中间截面；3)130m次边跨跨内最大弯矩截面；4)辅助墩墩顶处主梁截面；5)主跨跨中区格板的板跨中和支座截面；6)与主跨跨中区格板相邻两横梁的跨中截面。由于该桥跨结构具有对称性，故在7#塔侧只取两个断面F-F和G-G)作为测试校核断 面。各控制断面的位置和编号如图4-2所示。4.3.2应变测点布置1) A截面是辅助墩墩顶处主梁截面，在实验中该截面承受的是负弯矩，截面上缘受拉， 下缘受压，其具体的应变测点布置如图4-3所示：2) BG断面均为标准断面，在实验中这些截面都是承受正弯矩，截面上缘受压，下缘受拉，其具体的应变测点布置如图4-4所示:3) 6#和7#主塔的塔柱上均布置1个应变测试断面，其

8、位置及应变测点的布置如图4-5所示I-I-（竖向应变片）B （顺桥向应变片）4）测试的区格板、图4-5塔柱测试断面及其应变测点布置图单位：cm）横隔板的位置及其上应变测点的布置如图4-6所示：图4-6区格板和横隔板上应变测点布置图单位：cm）4.3.3位移测点布置1）在边跨跨中、次边跨跨内4分点、主跨跨内4分点及支座处的上下尔布置桥面挠度测点共34个，如图4-7所示。2）在各主塔塔顶布置塔顶顺桥向偏位测点2个，在桥面位置处的塔柱U布置转角测点2在主塔下塔柱和辅助墩上各布置测点两个上下游各一个），用以观测塔、墩的沉降。3)4)在4#桥墩和9#桥台的主梁端部设置梁端水平位移测点，以观测伸缩缝的变形

9、。97uu485U13UUU388UU13UUU4UUU.1 1（水平位移测点）（竖向位移测点）J-1-!i 1 I I11图4-7桥面挠度测点布置图单位：cm）4.3.4温度测点布置温度场测试包括塔、梁、索和大气四部分。塔的温度测试截面选在应变测试断面I-I，见图4-5；主梁的温度测试断面选在应变测试断面B-B和E-E,见图4-2；对于索表面温度的测 试，可任选一个塔，按索长选取长、中、短三种规格的斜拉索，上下游对称的选取12根进行测 量。4.3.5索力测试在开始正式加载前和全部实验完毕后测量全桥索力一次。在中间工况加载时，测量加载 部位附近35对索的索力。4.4加载工况、测试内容和加载布置

10、4.4.1工况11）工况描述：5#辅助墩墩顶处的主梁截面A-A）两侧加载16辆），使该主梁截面承受的负弯 矩达到最大并使辅助墩承受不利的竖向荷载。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩塔）沉 降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面A-A）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况1的加载布置图如图4-8所示。图4-8工况1加载布置图单位：cm）4.4.2工况21）工况描述普富塔山30蓝边跨跨内中心加载湿使 边跨主梁截面B-B ）正 弯矩达到最大。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩 塔）沉 降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面B-B）的应变

11、和控制索的索力。3）加载布置:工况2的加载布置图如图4-9所示。4.4.3工况31）工况描述： 于不利的偏心受力状态2）测试内容:主梁截面B-B ）处，转角、墩塔）沉6降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面B-B）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况3的加载布置图如图4-10所示。图 4-10况3加载布置图单位：cm）4.4.4工况41）工况描述：6#主塔0号块无索区中心截面C-C）中心加载6辆），使该主梁截面弯矩达到最大。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩塔）沉降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面C-C）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况4的加载布置图如

12、图4-11所示。4.4.5工况51）工况描述布置图图 4-11:6#主塔0号块无索区中心截面C-C）偏心加载4辆）处于不利的偏心受力状态以检验该无索区主梁的偏心受力情况。2）测试内容:加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱车降、塔柱测试截面应变、控制截面C-C）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况5的加载布置图如图4-12所示。图4.4.6工况61）工况描述:达到最大值。2）测试内容:塔柱测试截面应变、该主梁截面墩塔）沉388m主跨6#主塔侧四分点D-D）截面中心加载6辆），加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角该截面弯矩塔）沉降、主梁控制截面D-D）的应变和控制索的索

13、力。3）加载布置:工况6的加载布置图如图4-13所示。4.4.7工况71）工况描述:利的偏心受力状态，2）测试内容:塔柱测试截面应变、88m主跨6#主塔侧四分点D-D）截面偏心加载4辆），使该截面以检测主梁的偏心受力情况。加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩塔）丫主梁控制截面D-D）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况7的加载布置图如图4-14所示。图4-14工况7加载布置图单位：cm）4.4.8工况81）工况描述：388m主跨跨中E-E）截面中心加载8辆），使得该截面弯矩达值;同时将一排2）测肝沉降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面E-E）的应变、测试横隔板的应变、测试区

14、格板的应变和控 制索的索力。3）加载布置:工况8的加载布置图如图4-15所示。4-154.4.9工况9工况8加载布置1）工况描述：388m主跨跨中E-E）截面偏心加载6辆），使得该截面处于不利的偏心受力状态，以检验主梁的偏心受力情况；同时将一排载重汽车的重轴布置于横隔板位置处，以使得横隔板处于不利的受力状态2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩塔）沉降、 塔柱测试截面应变、主梁控制截面E-E）的应变、测试横隔板的应变、测试区格板的应变和控 制索的索力。3）加载布置:工况9的加载布置图如图4-16所示。4.4.10 工况 10达到最大值。2）测试内容:主梁控制截面F

15、-F）388m主跨7#主塔侧四分点F-F）截面中心加载61）工况描述:辆使得该截面弯矩加载前后主梁各挠度测试点的挠度、塔顶位移、塔柱转角、墩塔）沉降、的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况10的加载布置图如图4-17所示。最大。2）预4.4.11 工况 111）工况描述：7截面G-G）正弯矩达到、塔柱转角、墩塔）沉降、塔柱测试截面应变、主梁控制截面G-G）的应变和控制索的索力。3）加载布置:工况11的加载布置图如图4-18所示。4.5测试方法4.5.1应变测试方法分别采用电阻应变片、钢弦式应变计和光纤应变计作为传感元件，用相应的数据来置于桥面适当的部位测试；在适当的位置也可以安装电子千分表来

16、测量应变。4.5.2位移测试方法1）主梁挠度的测量：采用精密水准仪测量，各测点必须固定在相应的位置处，后视点分别置于墩顶和塔柱处的桥面上并在岸边布置基准点;2）塔、墩沉降的测量：采用精密水准仪测量;3）塔顶偏位测量：采用精密全站仪测量；4）塔柱转角测量：在相应的部位布置倾角仪，直接测量转角；5）支座位移测量：在支座处安装电子百分表，直接测量支座位移。4.5.3索力测试方法用索力测试仪基于弦振法原理测量索力。4.5.4温度测试方法大气温度采用水银温度计测量；拉索PE护套表面、桥面和主梁表面温度采用点温度计 测量。在每个加载工况前后测量相应的主梁温度、拉索温度和大气温度。4.6加载制度、程序及实验

17、规定4.6.1加载制度跨中部位采用中心加载和偏心加载两种方式，偏心荷载的总值取中心荷载总值的2/3； 支座部位只采用中心加载方式。实验前应在桥面预先定好轮位，加载时汽车荷载应按规定的顺 序准确就位，卸载时撤离推出桥梁结构实验影响区，车速不大于10Km/h。加、卸载制度如下：1）中心加载:0P/23P/4PP/20；2）偏心加载：0P/23P/4P0；其中P位总荷载）4.6.2加载程序1）一方面为使结构进入正常工作状态；另一方面为先检查测试系统和实验组织是否处于 正常的工作状态。在进行正是加载实验前，宜用46辆载重加载汽车在各跨跨中进行预加载实 验，预加荷载实验每一加载位置荷载持续时间以不小于3

18、0分钟为宜。2）将预加荷载卸载至零后，应等待一定时间使结构得到充分的零荷恢复后，再进入正 式加载实验。正式加载实验按加载工况序号逐一进行，完成一个加载工况后，应使结构得到充 分的零荷恢复后，方可进如下一个加载工况。4.6.3实验规定1）静载实验应选择在气温变化不大和结构温度趋于稳定的时间段内进行。一般宜选择 在夜晚进行。实验过程中在量测实验荷载作用下的结构响应的同时应相应的测量结构表面温度 及大气温度。2）静载实验荷载持续时间，原则上取决于结构变位达到相对稳定所需的时间，只有结 构变位达到相对稳定后，才能开始量测结构的荷载响应。一般，每级荷载到位后稳定10分钟即 可测读结构的响应。3）全部测点

19、在正式加载前应测读在零级荷载下的结构响应值，以后每次加载和卸载后 应测读一次。实验时选在结构变位较大的位置，每隔5分钟观测一次，以确定结构变位是否达 到相对稳定。4）在加载实验过程中未出现异常情况时，当实验荷载加到额定荷载时便应终止加载。 如果发生下列异常情况之一，应立即终止加载实验：错误!控制测点应力超过计算值且达到或者超过按规范规定的允许控制应力时；错误!控制测点变位超过规范规定算允许值时；错误！由于加载实验使结构出现非正常的受力损伤和局部发生损坏，影响桥梁承载能力和今后 正常使用时。5主桥动载实验桥梁结构是一个多变量的复杂系统，结构的动力敏感性很强，当结构的物理特性 如开裂、 截面尺寸、

20、材料力学性能等）发生变化时，不但静力特性 变形、应力、裂缝等）发生变化，而 且动力特性 频率、振型、阻尼比等）也发生变化，这一变化对于现状评估有重要意义。通过动力荷载实验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性以及在使 用荷载下的动力性能，为本桥以后的运营养护管理提供必要的数据和资料。5.1实验仪器 北京市东方噪声研究所研制的INV数据采集系统和DSAP数据分析系统； 扬州市无线电二厂生产的YE3818动态应变仪南京汽轮高新技术开发公司研制的随机信号与振动分析软ftCRASV5.1）及笔记本电脑 系统。5.2实验内容斜拉桥动载实验的主要内容包括两个方面：一是测量在移动车辆荷载作用

21、下桥梁结构指定 断面上的动应变；二是测量桥梁结构的自振特性和动力响应。巴东长江大桥主桥动载实验分脉动实验、跑车实验、跳车实验和刹车实验四个实验内容。5.2.1脉动实验1）实验原理脉动实验是通过在桥上布置高灵敏度的传感器，长时间记录结构在环境激励 如风、水流、 机动车、人的活动）下产生的振动，然后进行谱分析，求出结构自振特性的一种方法。它假设环境激励为平稳的各态历经，在中低频段，环境振动的激励频谱比较均匀，在环境激励的频率 与桥梁的自振频率一致或接近时，桥梁容易吸收环境激励能量，使振幅增大。而在环境激励的 频率与桥梁的自振频率相差较大时，由于相位差大，有相当一部分能量相互抵消，振幅较小。 对环境

22、激励下的桥梁的响应信号进行多次功率谱的平均分析，可得到桥梁的各阶自振频率，再 利用各个测点的振幅和相位的关系，可求得各阶频率相应的振型，利用幅频图上各峰值的半功 率带宽确定模态阻尼比。2）测点布置脉动实验中主塔和主梁上的测点布置分别见图5-1和图5-2。图5-1主塔脉动测点布置图3）实验规定现场实验受到外界的干扰较多，因此要保证仪器设备，特别是传感器的状态良好，并预备 好备用的传感器，一旦某一传感器出现故障，应马上予以更换，做到测试数据真确无误。测试 时，适当增加采样时间，使实验数据有一定的储备，保证数据处理时有足够的原始数据可供使 用。本桥主桥跨度大，布置的测点多，脉动实验需要一个晚上的时间

23、。在进行脉动实验时要封 桥，实验期间不允许车辆在桥上行驶。5.2.2跑车实验1）实验采用2辆280kN的载重汽车，并排分别以20km/h和40km/h的车速沿行车道中心 线匀速行驶过桥，测量桥梁跨中的动应变响应。在进行跑车实验前，将实验车辆布置在动应力 测试截面处，测出各截面的静载应力水平，以与跑车实验测试结果进行对比。2）测试系统动应变和动位移测试系统框图如下:结构固有振动测试系统框图如下:3）测试截面和测点布置选取B-B和E-E截面见图4-2）作为应变测试截面，动应变测点布置如图5-3所示，加速度传感器布置在截面上缘，主梁测点布置如图5-4所示。5.2.3跳车和刹车实验1）在桥面无任何障碍

24、的情况下，用1辆载重280kN的实验车以一定的车速匀速驶至桥梁 跨中处进行紧急刹车以及跳车两个实验，激发桥梁水平振动和垂直振动，测量桥梁结构的振动 响应，并通过采用高灵敏度的拾振器和放大器测量结构在激励下的振动，然后进行谱分析，求 出结构自振特性，通过对拾振器拾取的响应信号进行谱分析，可确定桥梁的自振频率，再将功 率谱进行细化处理，利用半功率点带宽求得桥梁的阻尼比。2）测试系统同跑车实验。3）测点布置同跑车实验，具体布置见图5-3和图5-4。4）测试方法刹车实验：载重280kN的实验车以20km/h的速度匀速行驶至次边跨跨中、主跨跨中处紧急 刹车，测量桥梁结构引起的振动响应和动应变响应。跳车实

25、验：载重280kN的实验车以20km/h的速度匀速行驶至次边跨跨中、主跨跨中处布置 的三角块三角块高8cm），测量桥梁结构引起的振动响应和动应变响应。在进行刹车和跳车实验前，应将实验车辆布置在动应力测试截面处，测出各截面的静载应 力水平，以与刹车、跳车实验测试结果进行对比。5.3实验工况动载实验工况见表5-1：项目工况测试内容及车速脉动实验1结构自振频率、振型、阻尼比跑车实验2结构振动响应、动应变、动态增量、车速20km/h3结构振动响应、动应变、动态增量、车速40km/h跳车主跨跨中4结构振动响应、动应变、动态增量、障碍高8cm、车速 20km/h实验次边跨跨中5结构振动响应、动应变、动态增

26、量、障碍高8cm、车速 20km/h刹车主跨跨中6结构振动响应、动应变、动态增量、车速20km/h实验次边跨跨中7结构振动响应、动应变、动态增量、车速20km/h表5-1动载实验工况总汇5.4主要测试结果1）桥梁结构的自振特性：频率、阻尼比等；2）跑车、刹车、跳车情形下，桥梁结构的动应变时程响应曲线；3）随车速和行车位置而变化的冲击系数；6引桥静载实验引桥为简支T梁4X40m），选择0#桥台与1#桥墩之间的简支梁进行静、动载实验。6.1静载实验基本原则同主桥静载实验。6.2引桥各测试断面静载实验荷载效率系数引桥各测试断面静载实验荷载效率系数见表6-1：表6-1引桥各测试断面静载实验荷载效率系数

27、截面号标准活载效应实验荷载效应荷载效率系数1-115503128500.8292-2180814610.808注：1-1截面为跨中截面，荷载效应为截面弯矩单位：KN.m）2-2截面为支座截面，荷载效应为截面剪力单位：KN）6.3测试截面及测点布置选取主梁跨中截面1-1）和支座截面（2-2作为应变测试截面；挠度测点布置在支座截面处和主梁四分点处，上下游对称布置；温度测点布置在跨中。如图6-1所示:图6-1引桥应变测试断面和挠度测点布置图单位：cm）跨中截面1-1）上的应变测点布置如图6-2所示:图6-2跨中截面（1-1应变测点布置支座截面2-2）上的应变测点布置如图6-3所示:图6-3支座截面2

28、-2）应变测点布置6.4测试方法应变、挠度、温度的测试方法均同主桥静载实验。6.5加载工况、测试内容和加载布置6.5.1工况11）工况描述：对1-1截面中心加载6辆），使该截面的正弯矩达到最大值。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、控制截面1-1）的应变、裂缝发展情况及结构温度。3）加载布置:工况1的加载布置图如图6-4所示。图6-4工况1加载布置图单位：cm）6.5.2工况21）工况描述:对1-1截面偏心加载4辆），使该截面处于不利的偏心受力状态。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、控制截面1-1）的应变、裂缝发展情况及结构温度。3）加载布置:工况2的加载布置图如图6-5

29、所示。1）工况描述：对2-2截面中心加载，使该截面的剪力达到最大值，同时使墩台）处 于不利的竖向受力状态。2）测试内容：加载前后主梁各挠度测试点的挠度、控制截面2-2）的应变、裂缝发展 情况及结构温度。3）加载布置:工况3的加载布置图如图6-6所示。7.1实验仪器同主桥动载实验。7.2测试系统同主桥动载实验。7.3动载实验传感器和应变测点布置1）传感器的布置如图7-1所示:7.4实验内容动载实验分脉动实验、跑车实验、跳车实验和刹车实验四个实验内容。1）脉动实验：长时间记录结构在环境激励如风、流水、机动车、人的活动等）下引起的 振动，然后进行谱分析，求出结构自振特性。测点布置如图7-1所示。2）

30、跑车实验：采用2辆280kN的载重汽车，并排分别以20km/h和40km/h的车速沿桥中 心线匀速行驶过桥，测量桥梁跨中的动应变响应，动应变测点布置见图7-2。3）刹车实验：采用一辆重280kN的载重汽车分别以20km/h的车速在控制截面处刹车，测 量桥梁跨中的动应变响应，动应变测点布置见图7-2。4）跳车实验：采用一辆重280kN的载重汽车以20km/h的速度匀速驶过跨中截面处布置的 楔块高度8cm），测量桥梁跨中的动应变响应，动应变测点布置见图7-2。在进行跑车、刹车和跳车实验前，应将实验车辆布置在动应力测试截面处，测出各截面的 静载应力水平，以与动载实验测试结果进行对比。7.5实验工况动

31、载实验工况见表7-1：项目工况测试内容及车速脉动实验1结构自振频率、振型、阻尼比跑车实验2结构振动响应、动应变、动态增量、车速20km/h3结构振动响应、动应变、动态增量、车速40km/h跳车实验跨中4结构振动响应、动应变、动态增量、障碍高8cm、车速20km/h刹车实验跨 中5结构振动响应、动应变、动态增量、车速20km/h表7-1动载实验工况总汇7.6主要测试结果1）桥梁结构的自振特性：频率、阻尼比等；2）跑车、刹车、跑车情形下，桥梁结构的动应变时程响应曲线；3）随车速和行车位置而变化的冲击系数；8、实验人员安排、测试时间、业主协助内容和主要实验设备8.1人员配备8.1.1静载实验1 .挠度测试6人2.塔偏位、墩沉降测试2人3 .索力测试2人4.应变测试4人5 .转角测试1人6.车辆调度1人6.指挥1人7.临时用工10人共技术人员：17人；临时工：10人。8.1.2动载实验1 .动应变2人2.振动测试3人3.指挥1人共6人。8.1.3实验