山东东营黄河公路大桥荷载试验方案

/山东东营黄河公路大桥荷载试验方案哈尔滨工业大学长沙理工大学公路工程试验检测中心二〇〇五年五月东营黄河公路大桥荷载试验方案哈尔滨工业大学和长沙理工大学公路工程试验检测中心受山东省东营黄河公路大桥工程建设项目办公室和山东省交通建设质量监督站的委托，对东营黄河公路大桥主桥进行荷载试验，检测内容主要是连续刚构桥的静载和动载试验。现提交荷载试验方案如下。一、荷载试验目的桥梁结构荷载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种鉴定手段。由于大桥的跨径较大，设计、施工技术难度较大，另外，根据国家有关规定，大型桥梁竣工后应进行生产鉴定性质的试验，因此，本次交工荷载试验力求达到以下目的：1.通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，检验本桥设计与施工质量，确定工程的可靠性，为竣工验收提供技术依据；2.直接了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在设计使用荷载下的工作性能；3.验证设计理论、计算方法和设计中的各种假定的正确性与合理性，为今后同类桥梁设计施工提供经验和积累科学资料；4.通过动载试验测定桥跨结构的固有振动特性以及其在长期使用荷载阶段的动力性能，评估实际结构的动载性能；5.通过荷载试验，建立桥梁健康模型，记录桥梁健康参数。二、荷载试验依据(1)．《东营黄河公路大桥及接线工程－两阶段施工图设计（修订版）》（主桥工程）；(2)．《东营黄河公路大桥工程监测工作服务合同协议书》；(3)．中华人民共和国交通部部颁标准《公路桥涵设计规范》（89）；(4)．中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071－98）；(5)．中华人民共和国交通部部颁文件《公路工程竣工验收办法》（交公路发[1995]1081号文）；(6)．中华人民共和国行业标准《公路桥涵养护规范》（JTJH11－2004）；(7)．《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（“铁组”YC4－4/1978科研专题）；(8)．中华人民共和国交通部《公路工程技术标准》（JTJ001－97）。三、工程概述东营黄河公路大桥工程位于山东省东营市，南北跨越垦利县和利津县，在现胜利黄河大桥下游约5公里处跨越黄河，距黄河入海口约70km，是目前黄河下游地最后一座桥梁。该项目是国家规划的“五纵”、“四横”干线公路网及山东省综合运输网主框架的重要组成部分，是胶东半岛、黄河三角洲与京津唐地区联系的重要通道。东营黄河公路大桥按高速公路标准建设，全长2743.1m，为双向4车道，桥宽26m，设计行车速度100km/h，设计荷载汽－超20，挂－120；主桥为116+200+220+200+116m预应力混凝土刚构一连续组合梁，主墩为壁厚1.8m、中心距8m的双薄壁墩；其他各墩均为矩形截面实体墩；引桥为45孔跨径42m的先简支后连续的箱梁，下部为直径1.8m的钢筋混凝土柱式墩。全桥均为钻孔灌注桩基础。该桥的承建单位是中铁十四局三公司。桥型立面布置图参见图1。图1东营黄河公路大桥主桥静、动载试验测试断面布置图四、荷载试验内容东营黄河公路大桥荷载试验的内容如下：1静载试验1）测试试验桥主梁控制截面的最不利弯矩，刚构墩墩顶截面、墩底截面最不利弯矩。连续梁跨中弯矩与刚构墩弯距是桥梁的设计控制指标，跨中混凝土应力和刚构墩应力能较好地反映设计和施工质量情况。2）支点、1/4截面最不利剪力和主拉应力加载试验。支点截面的剪力是设计中的重要控制参数，而1/4截面的主拉应力往往是影响箱梁腹板开裂的重要因素。3）测试主梁控制截面挠度及刚构墩墩顶水平位移。满足正常使用对结构的刚度要求，体现在跨中挠度应小于设计计算值或规范规定的允许值。测试断面及测点布置见图1和图2，静载试验过程测试图中所示各测试截面应力及沿截面高度的分布规律，1－1、2－2、3－3截面挠度，7#、8#、11#、12#墩支座纵向水平位移，9#墩墩顶10#、11#断面纵向水平位移。2动载试验测定主桥结构的自振特性、受迫振动特性、动应力、动位移。测试断面及测点布置见图1和图2，动载试验过程应测试全桥结构1～5阶自振特性（包括自振频率、振型和阻尼特性），在动荷载作用下，受迫振动的振动特性（包括频率、振型、振幅、加速度和动力系数等），图中所示各测试截面在动荷载作用下的动应力及沿截面高度的分布规律，图中1－1、2－2、3－3截面动挠度，9#墩顶、10#、11#断面纵向水平位移，7#、8#、11#、12#墩支座纵向水平位移。具体试验项目为：1)脉动试验，用于测定结构固有振动特性（振型、临界阻尼比、固有模态频率）；2)无障碍行车试验，主要用于测定桥面铺装层完好时在运行车辆荷载作用下桥跨结构的动力反应；3)有障碍行车试验，模拟桥面铺装层局部损伤，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应；4)刹车试验，测试车辆紧急刹车的应力动态增大效应系数和主梁的纵向漂移位移。3主桥技术状况检查主要内容为：结构尺寸，各部位高程、桥面平整度、支座位置、工程材料的物理力学性能、结构缺陷、裂缝、损坏等情况，以及加载过程中和试验完成后结构的检查对比。具体按交通部《公路工程质量检验评定标准》进行，其中部分无法测得的，施工过程中已完成的结构尺寸和工程材料的物理力学性能等内容参照监理提供的数据。4桥梁受力空间有限元模型及其分析建立该桥空间有限元模型，对其进行活荷载作用下的受力分析，将计算结果与设计结果进行比较（业主提供横荷载和活荷载作用下桥梁受力和变形的设计结果），将其作为该桥的基本模型。在成桥试验后，根据荷载试验结果，将进一步修正该有限元模型，以作为该桥梁的健康模型。五、测试方法和测点布置根据上述测试内容，采用精密水准仪在桥面上对支座处、跨中、截面的挠度进行同步观测。其中各工况的每一个加、卸载均进行全桥的水准测量、梁的水平位移测量和梁端转角测量，而应变测量主要进行图1中测试截面的应变测量工作。(1)结构静应变测试主要采用光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器。主梁各截面的应变测点布置见图2。图2箱梁截面测点示意图(2)挠度（沉降）测试仪器和方法。采用水准仪测量，挠度测点布置见图3。(3)主梁纵向水平位移和梁端转角分别采用全站仪和转角仪。图3水准测量测点布置示意图(4)测量结构温度场测试主要采用光纤光栅温度传感器。(5)动力测试主要仪器为：传感器用超低频加速度传感器，最低测试频率可达0.05Hz，分析系统采用CRAS信号采集和分析系统以及INV智能信号自动采集处理分析系统。六、静载试验加载车辆与荷载效率1静载试验车辆本次荷载试验车辆由业主组织，试验中共需30t车辆18辆，其前轴重量为6t，两后轴重量均为12t。试验车辆主要技术指标见下表，车辆需配重，并过磅。表1自卸车技术指标L1L2车型轴距（mm）轮距（mm）L1L2前轮轮自卸汽车40001400180018002静载试验荷载效率桥梁静力荷载试验主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形与内力，确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符。它是检验桥梁结构实际性能，如结构的强度、刚度等最直接有效的办法。本桥单幅桥面宽为12.8米，两侧各0.5m防撞墙。根据汽超－20、挂－120的设计荷载标准，采用等效荷载的原则，在所测试截面的内力影响线上，按最不利位置进行布载，计算出跨中控制截面在试验荷载作用下的最大内力值，它与按设计规范要求布置荷载作用下的跨中控制截面的理论内力值的比值即是静载试验荷载效率η。桥梁的静力试验按荷载效率η来确定试验的最大荷载，静力荷载效率式中：：试验荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；：设计标准荷载作用下检测部位变形或内力的计算值；：设计取用的动力系数，取为1。本次试验为成桥荷载试验，根据《试验方法》要求，静力荷载效率η取值宜在0.8～1.05之间。通过反复比较计算，拟采用的静力荷载效率η值在0.87～1.03之间，符合《试验方法》的要求。进行荷载试验布载时，考虑到原合同方案中的墩顶最大纵向位移方案中，加载后最大纵向位移仅6mm，其测试已没有工程意义，考虑增加刚构桥墩9－9截面的最大弯距作为试验工况，测试墩身受力和变形情况。荷载试验时，根据静载数量和桥梁跨径等条件，分成3级加载，分别为控制截面内力的60%、80%、100%。在某一加载实验项目中，加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后分次卸到零荷载。七、试验车辆布置以下图中尺寸均以厘米计。1．中跨1-1截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图4加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η2．次边跨2-2截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图5加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η3．边跨3-3截面最大正弯矩工况（含最大挠度工况）（1）荷载布置图图6加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η4．中跨12-12截面最大负弯矩工况（1）荷载布置图图7加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η5．中跨4-4截面最大剪力工况（1）荷载布置图图8加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η6．次边跨6-6截面最大剪力工况（1）荷载布置图图9加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η7．次边跨14-14截面最大剪力工况（1）荷载布置图图10加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η8．9＃墩9截面最大弯距工况（1）荷载布置图图11加载汽车轮位布置图（2）静力荷载效率η八、动载试验动载试验主要是测试桥梁结构的自振和受迫振动特性，借以分析桥梁的抗震能力和冲击系数。1桥梁自振特性测试（脉动试验）脉动试验利用桥梁在各种随机环境激励（包括地脉动、风、水流等等）下引起的振动响应，采集速度信号，分析得到桥梁结构的固有振动特性（固有频率、振型和阻尼比），为桥梁的动力响应分析（抗风、抗震、动荷载响应分析等等）提供参数。对于本桥，主要测试前3阶主梁竖向弯曲振型的固有振动特性。脉动试验采用32通道数据信号采集分析系统CRAS6.0或INV306D分别进行试验，采用超低频（最低采样频率可达0.05Hz）的991型单向传感器，用小速度档采集信号，以更好分析低频。脉动试验采用固定一测点为参考点，移动另外一个测点的方法进行，按主梁竖平面竖向振动采集数据，然后再经信号分析得到全桥的各阶固有振动特性。2受迫振动动载试验对桥梁受迫振动特性的量测是利用一辆20t的汽车，在桥面上分别以不同的速度进行跑车、在高度为15厘米的垫木上由后轮自由下落（跳车）以及急刹车进行激励振动1）受迫振动动载试验内容(1)、无障碍行车试验桥面无任何障碍的情况下，采用一辆载重汽车在行车道，以10km/h～60km/h速度驶过试验桥跨。测定桥跨结构在运行车辆荷载的作用下动力反应。根据桥梁振动的最大应力幅值求出最不利车速和桥梁在动荷载下的动应力增量。(2)、有障碍行车试验在跨中中线截面设置高度为15cm的障碍物（三角垫块），模拟桥面铺装局部损伤状态，试验车驶过障碍物，测定桥跨结构在桥面平整度不良状态时运行车辆荷载作用下的反应。(3)、刹车试验采用一辆载重汽车以30km/h速度行驶跨中截面中线处进行紧急制动，测定主梁的振幅、相应截面的动应变及其增量等，以判断桥梁在紧急制动时的动力系数。3）动载试验的测点布置无障碍行车试验与有障碍行车试验测点布置在中跨的跨中截面。4）动载试验仪器分析系统采用CRAS信号采集和分析系统以及INV智能信号自动采集处理分析系统。九试验组织与安全保障1试验组织机构为使东营黄河公路大桥荷载试验能够顺利进行，保证大桥按时通车，建议成立东营黄河公路大桥荷载试验指挥小组和东营黄河公路大桥荷载试验小组，试验指挥小组指挥长由业主担任，设计、试验、施工、监理单位派员参加，负责组织、协调处理和确定在施工过程可能出现的各种问题。试验小组组长由试验方人员担任，具体负责荷载试验有关事宜。2安全保障体系1)结构安全保障由各工况影响线正确计算出加载车辆数和加载位置，使各工况既满足加载效率要求，又确保结构安全。对特殊部位进行详细计算以避免给结构带来不利影响。试验前后加载车辆进出场，以及试验期间加卸载时，在非试验区段，严格注意车辆荷载不要超载。在试验区时，车辆按指挥人员行驶、就位、停放。2)试验车辆调配根据试验工况，制定详细的全程车辆行驶线路，并派专人负责指挥交通，确保车辆进桥、出桥安全。所有车辆驾驶人员将严格按照试验操作规程及安全生产条例作业。3)试验人员和试验设备的安全试验人员严格遵守安全生产操作规程，服从指挥人员的安排。对加载车司机进行培训。夜晚试验时，作业面安装足够的照明设备，桥面设置一定安全防护设施，确保人员安排。当试验准备工作开始后，各种试验仪器及大量导线会陆续上桥安装到位，进行试验前的各项调试。在正式荷载试验前，安排专人对各项试验设备看守。试验以及试验准备期间，应禁止无关人员及车辆上桥。4)配合东营黄河公路大桥的荷载试验是一个巨大的系统工程，只有在试验指挥小组的指导下各方面密切配合，方能取得圆满成功。希望在现场试验过程中，有关方面尤其是施工单位能够大力协助配合试验工作。具体配合事项：(1)电源及照明，在试验现场接通220V电源，供仪器和照明用