三塔悬索桥荷载试验研究

三塔悬索桥荷载试验研究

李万恒1,2，王元丰1，李鹏飞2，吴寒亮2

(1.北京交通大学，北京 100044；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

摘要：依托泰州长江大桥和马鞍山长江大桥荷载试验为背景，提出了三塔悬索桥荷载试验的要点。在《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)规定的主要工况的基础上需要增加中塔扭转工况和最大不平衡缆力工况作为主要工况；在三轴载重车加载的方式下，提出了不同工况下三塔悬索桥静载试验的建议荷载效率范围；提出了三塔悬索桥结构校验系数常值的范围。基于脉动试验，测试了泰州长江大桥和马鞍山长江大桥的自振特性，并利用行车试验测试了两座桥的冲击系数。研究结果为三塔悬索桥荷载试验的实施提供了参考，同时为三塔悬索桥力学性能的研究提供了较好的数据支撑。

关键词：桥梁工程；三塔悬索桥；荷载试验；荷载试验效率；结构校验系数

0 引言

三塔悬索桥具有充分减小主跨跨径、改善主缆拉力和降低锚碇规模等优势，进而降低综合造价，在大跨度桥梁跨江海工程中竞争力非常显著[1]。21世纪，世界各国在多塔悬索桥的建设及理论研究上做了大量的探索和实践，并建成了一系列中小跨度的此类桥梁，但最大跨度仅为210 m[2-3]。近年来，三塔悬索桥在中国得到了长足的发展，先后建成了3座大型三塔悬索桥:泰州长江大桥[4-5]、马鞍山长江公路大桥[6-7]和武汉鹦鹉洲长江大桥[8]。泰州长江大桥采用桥跨布置为390 m+2×1 080 m+390 m，是世界首座主跨跨度千米级的三塔悬索桥，垂跨比1/9，塔梁连接采用全漂浮体系+弹性索体系，纵向人字形的全钢中塔。马鞍山长江公路大桥桥跨布置为360 m+2×1 080 m+360 m，垂跨比1/9，塔梁连接采用固结体系，纵向I字形的钢-混组合中塔。武汉鹦鹉洲长江大桥采用桥跨布置为200 m+2×850 m+200 m，垂跨比1/9，塔梁连接采用四跨简支体系，纵向人字形的钢-混组合中塔。三塔悬索桥是在传统两塔悬索桥的基础上，增设一个中塔，实现两个主跨连续跨越的悬索桥，其力学特性与传统两塔悬索桥有着显著的不同。

桥梁荷载试验是验证桥梁性能的直接有效手段，其是通过对桥梁结构施加试验荷载，测试荷载作用下的结构应力应变及变位等参数的变化量，以检验桥梁的实际工作性能，并判断其是否达到设计预定目标。目前，我国桥梁荷载试验主要是参考《大跨径混凝土桥梁的试验方法》(“铁组”YC4-4/1978)[9]、《公路桥梁承载力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)[10]、《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)[11]的相关内容。然而，三塔悬索桥作为一种新的桥型，还处于应用的起步阶段，目前我国的相关规范标准未有涉及其荷载试验方法。

三塔悬索桥由于增设了中间塔，使得桥跨结构受力特性表现出独有的“多塔效应”[12]，同时泰州长江大桥和马鞍山长江大桥均采用桥面连续的结构形式，其荷载试验除应包含传统两塔悬索桥的结构控制断面或控制点的应力、应变、位移等常规内容外，还应重点围绕中间塔受力性能和“多塔效应”开展相应的试验验证。

本文以泰州长江大桥和马鞍山长江大桥为背景，讨论了三塔连跨悬索桥静载试验的主要关注点，根据三塔悬索桥的力学特性和实桥荷载试验经验，给出了三塔悬索桥荷载试验工况、荷载效率和结构校验系数的建议值。同时开展了实桥动载试验，测试了三塔悬索桥的动力特性和冲击系数。本文研究将为三塔连跨悬索桥设计、施工、荷载试验提供有效参考。

1 桥梁概况

(1)泰州长江大桥

主桥结构形式采用三塔两跨悬索桥，跨径布置为390 m+2×1 080 m+390 m。主梁为扁平流线形封闭钢箱梁，单箱三室，梁段之间采用全断面焊接方式，桥面板为正交异性板。主缆矢跨比采用1/9，主缆、吊索采用预制平行钢丝索股，标准抗拉强度不小于1 670 MPa。主缆横向中心距34.8 m，每根主缆由169股组成。每股由91根φ5.2 mm镀锌高强钢丝组成。吊索钢丝采用φ5 mm镀锌高强钢丝。吊索采用销接式。

边塔塔身为门式框架结构，塔顶标高180 m，塔柱为钢筋混凝土空心箱型结构，横梁采用预应力混凝土空心箱型结构。中间塔塔身为门式框架结构，塔顶标高200 m，塔柱为纵向人字型钢结构，单箱多室布置，设两道等截面箱型横梁。锚碇基础采用沉井基础，锚体为大体积混凝土结构。桥跨布置及横断面示意图如图1和图2所示。

图1 泰州长江大桥主桥布置图(单位：m)
Fig.1 Layout of main bridge of Taizhou Yangtze River Bridge(unit: m)

图2 泰州长江大桥横断面(单位：mm)
Fig.2 Transverse section of Taizhou Yangtze River Bridge(unit: mm)

(2)马鞍山长江大桥

主桥结构形式采用三塔两跨悬索桥，跨径布置为360 m+2×1 080 m+360 m。主梁为扁平流线型钢箱梁，箱梁除两端因剪力较大采用实腹板结构外，中间部分采用空腹式桁架结构。边塔支座处横隔板及中塔塔梁固结处横梁则采用实腹板式结构。主缆矢跨比采用1/9，主缆采用预制平行钢丝索股，每根主缆由154 股索股组成，每股由91根φ5.2 mm镀锌高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度1 770 MPa。吊索采用销接式。

三塔等高，中塔为钢-混叠合塔，边塔为混凝土塔。中塔结构设计为门式结构，由上、下塔柱、塔顶装饰及上、下横梁组成，其中下塔柱为预应力混凝土结构，上塔柱、塔顶装饰及上、下横梁为钢结构。塔高为175.8 m，上塔柱高127.8 m。边塔采用门式结构，由上、中、下塔柱、塔顶鞍罩及上下横梁组成。其中塔柱为钢筋混凝土结构，上下横梁为预应力钢筋混凝土结构。锚碇基础采用沉井基础，锚体为大体积混凝土结构。桥跨布置及横断面示意图如图3和图4所示。

图3 马鞍山长江大桥布置图(单位：m)
Fig.3 Layout of Maanshan Yangtze River Bridge
(unit: m)

图4 马鞍山长江大桥横断面示意图(单位：mm)
Fig.4 Transverse section of Maanshan Yangtze River Bridge (unit: mm)

2 静载试验

(1)静载试验工况

桥梁静载试验应按桥梁结构的最不利受力原则和代表性原则确定试验工况及测试截面。《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)[11]针对悬索桥的试验工况如表1所示。

三塔悬索桥与两塔悬索桥相比，由于其中塔的存在，“中塔效应”明显。如果中塔刚度很大，一主跨满载时，中塔顶纵向变形很小，非加载跨主缆拉力增加不多，主缆在中塔两侧形成较大的不平衡力，有可能引起主缆在鞍槽内滑移，同时对中塔及基础受力不利；但加载跨主梁挠度较小，对行车舒适性有利。如果中塔刚度很小，一主跨满载时，中塔顶纵向变形很大，非加载跨主缆拉力增加较多，主缆在中塔两侧不平衡力较小，有利于主缆的抗滑稳定及中塔受力；但加载跨主梁挠度较大，对行车舒适性不利。因此在三塔悬索桥设计中，中塔刚度的选择要兼顾控制跨中挠度和主缆抗滑移两个方面，故在三塔悬索桥荷载试验中需要增加主缆最大不平衡力工况作为主要工况。由于两主跨长度较大，三塔悬索桥中塔的扭转效应要明显大于两塔悬索桥，故在三塔悬索桥荷载试验中需要增加中间塔最大扭转效应工况作为主要工况。

表1 悬索桥常见静载试验工况及测试截面
Tab.1 Common test conditions and sections of suspension bridge

试验工况测试截面主要工况(必做)1.加劲梁跨中最大正弯矩及挠度工况;2.加劲梁3L/8截面最大正弯矩工况;3.主塔塔顶纵桥向最大水平位移与塔脚截面最大弯矩工况。1.中跨最大弯矩截面;2.中跨3L/8截面;3.塔顶截面(位移)及塔脚最大弯矩截面。 附加工况(可选)1.主缆锚跨索股最大张力工况;2.加劲梁梁端最大纵向漂移工况;3.吊杆(索)活载张力最大增量工况;4.吊杆(索)张力最不利工况。1.主缆锚固区典型索股;2.加劲梁两端(水平位移);3.典型吊杆(索);4.最不利吊杆(索)。

同时，增加活载作用下的锚碇变位监测、桥面板局部应力测试工况、塔梁固结区局部应力工况、弹性索索力增量工况及相关设计中需要验证的工况。在荷载试验的过程中，全程监测中塔索、鞍状态。泰州长江大桥和马鞍山长江大桥静载测试工况如表2所示，以供参考。

(2)静载试验荷载效率

荷载试验效率是指试验荷载所产生的效应与控制荷载效应的比值。《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)[11]规定：对于交(竣)工验收荷载试验，静载试验荷载效率宜介于0.85～1.05之间；否则，宜介于0.95～1.05之间。大跨度悬索桥试验荷载加载方式上，一般采用三轴载重车辆进行加载。但是，在公路-Ⅰ级设计荷载下，采用三轴载重车加载，长大跨悬索桥所有工况的荷载效率一般较难达到0.85～1.05区间。主要原因为：

表2 泰州长江大桥和马鞍山长江大桥静力荷载测试工况
Tab.2 Static load test conditions of Maanshan Yangtze River Bridge and Taizhou Yangtze River Bridge

结构部位序号测试工况备注缆索结构1主缆最大挠度2主缆最大张力3最不利吊索索力增量4锚碇在活载作用下的变位5主缆中塔索鞍抗滑移性能(中塔处最大不平衡缆力工况)6弹性索索力最大增量泰州长江大桥主梁7L/8断面的最不利活载作用下最大正弯矩L/4断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度7L/2断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度3L/4断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度距中塔436m断面的最不利活载作用下最大正挠度马鞍山长江大桥8L/2断面最不利活载作用下最大负弯矩和挠度9梁端纵桥向变位10距中塔中心线24m处断面最大负弯矩马鞍山长江大桥11塔梁固结处的应力应变(局部应力)马鞍山长江大桥12中塔下横梁处梁体最大转角马鞍山长江大桥13正交异性桥面板局部轮压作用下应力测定桥塔14中、边塔塔顶最不利活载作用下纵向变位15中塔钢塔柱底部不利活载作用下最大弯矩16边塔塔底断面最大弯矩17中塔钢混结合面锚索索力增量马鞍山长江大桥18中塔的扭转效应19中塔钢混叠合面相对变位监测马鞍山长江大桥

① 随着跨度的增大，车辆集中荷载与线荷载(公路-Ⅰ级)的等代效应差距增大；

② 大跨度悬索桥的荷载工况众多，在三轴重车加载模式下，若某工况荷载效率满足要求，其他控制设计工况的荷载效率可能超越1.05。例如：泰州长江大桥中塔纵向偏位工况荷载效率0.95，跨中最大挠度工况超越1.05；

③ 较高荷载效率对加载车辆数目的要求显著增加；

④ 大跨度桥梁荷载试验中，为了提高车辆布置效率、便于桥面线形测量等工作的进行，一般要求车辆纵向间距不宜小于15 m，进一步增大车辆荷载与线荷载等代效应的差距。

荷载试验是验证桥梁正常使用状态而采取的工作模式，综合以上原因及现场工作条件，结合泰州长江大桥和马鞍山长江大桥荷载试验的实际荷载效率，本文给出了在三轴载重车加载的方式下，三塔悬索桥静载试验的建议荷载效率，如表3所示。

表3 三塔悬索桥静载试验建议荷载效率
Tab.3 Recommended load efficiency for static load test of three-pylon suspension bridge

结构部位序号测试工况建议荷载效率缆索结构1主缆最大挠度0.8～12主缆最大张力0.5～0.73最不利吊索索力增量0.5～0.74锚碇在活载作用下的变位—5主缆中塔索鞍抗滑移性能(中塔处最大不平衡缆力工况)0.7～0.96弹性索索力最大增量0.5～0.7主梁789101112137L/8断面的最不利活载作用下最大正弯矩0.8～1L/4断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度0.8～1L/2断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度0.8～13L/4断面的最不利活载作用下最大正弯矩和挠度0.8～1L/2断面最不利活载作用下最大负弯矩和挠度0.8～1梁端纵桥向变位0.5～0.7距中塔中心线24m处断面最大负弯矩0.8～1塔梁固结处的应力应变(局部应力)—中塔下横梁处梁体最大转角0.5～0.7正交异性桥面板局部轮压作用下应力测定—桥塔14中、边塔塔顶最不利活载作用下纵向变位0.5～0.715中塔钢塔柱底部不利活载作用下最大弯矩0.5～0.716边塔塔底断面最大弯矩0.5～0.717中塔钢混结合面锚索索力增量0.5～0.718中塔的扭转效应0.6～0.819监测中塔索、鞍状态—20中塔钢混叠合面相对变位监测—

(3)结构校验系数

结构校验系数是指在试验荷载作用下结构应变(应力)或变形实测值与相应的理论计算值的比值。《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)[11]给出了常见桥梁结构试验校验系数常值范围，但针对与三塔悬索桥未给出相关建议。本文根据泰州长江大桥和马鞍山长江大桥两座三塔悬索桥，以及坝陵河大桥和南京长江四桥等大跨度两塔悬索桥的试验结果，给出了三塔悬索桥结构校验系数常值的范围，如表4所示。

表4 三塔悬索桥静载试验建议结构校验系数
Tab.4 Recommended structural verification coefficients for static load test of three-pylon suspension bridges

测试项目马鞍山长江大桥校验系数范围泰州长江大桥校验系数范围建议校验系数范围主梁挠度0.96～10.92～10.9～1主梁应力0.6～1.050.45～10.4～1主缆挠度0.990.89～0.910.85～1吊索索力增量0.61～1.030.5～0.610.5～1.05中塔纵向位移0.90～0.980.66～0.720.6～1桥塔应力0.62～1.040.43～10.4～1.05中塔扭转0.941.040.9～1.05主梁纵向变位0.680.46～0.510.4～0.8

3 动载试验

(1)动载试验工况

动力荷载试验包括：脉动试验、无障碍行车试验、有障碍行车试验等内容。具体如下：

① 脉动试验，在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。

②无障碍行车试验，在桥面无任何障碍的情况下，用4辆载重汽车(单辆总重约350 kN)按横向一排情形分别以20，30，40，50 km/h 的速度驶过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应。

③有障碍行车试验，设置5 cm障碍物，模拟桥面铺装局部损伤状态，用4辆载重汽车(单辆总重约350 kN)按横向一排分别以20,30,40 km/h的速度驶过桥跨结构，测定桥跨结构在桥面不良状态时运营车辆荷载作用下的动力反应。

(2)动载试验测试断面

脉动试验的测试断面布置在桥面及塔顶上，其中桥面按每跨十六等分点布置，分左、右侧两条测线布置测点；塔顶测点则分别布置在每个塔上、下横梁顶部的左、右两侧。在行车(无障碍和有障碍)试验中，泰州长江大桥测点布置在跨中位置，马鞍山长江大桥测点布置在马鞍山侧桥跨3L/4断面位置。

(3)动载试验结果

① 自振特性测试结果。泰州长江大桥和马鞍山长江大桥的振型、自振频率阻尼比的测试结果如表5所示。

表5 三塔悬索桥自振特性测试结果
Tab.5 Test result of natural vibration characteristics of three-pylon suspension bridges

桥梁阶数振型描述实测频率/Hz计算频率/Hz实测阻尼比/%泰州长江大桥1主梁一阶反对称横弯0.09150.07963.072主梁一阶反对称竖弯0.08080.08890.013主梁一阶正对称横弯0.10530.10324.744主梁二阶反对称竖弯0.1190.12560.025主梁二阶正对称竖弯0.12020.12830.02马鞍山长江大桥1主梁一阶反对称竖弯0.09340.089 0.9 2主梁一阶反对称横弯0.09580.0821.933主梁一阶正对称横弯0.10130.091.854主梁二阶反对称竖弯0.13060.121.815主梁二阶正对称竖弯0.152 0.150.48

由表5可以看出，实测频率基本接近计算频率，表明两座桥梁的刚度与设计理论刚度吻合较好，二者误差主要是由于有限元模型与实际桥梁状态的差别及测试误差造成。

② 冲击系数测试结果。泰州长江大桥和马鞍山长江大桥在无障碍行车和有障碍行车情况下的测试结果如表6所示。

表6 冲击系数测试结果
Tab.6 Result of impact coefficient test

桥梁状态车速/(km·h-1)冲击系数动应变动挠度马鞍山长江大桥无障碍有障碍200.00930.0044300.0060.0029400.00890.0139500.00280.0034200.00950.0031300.010.0088400.010.005泰州长江大桥无障碍有障碍200.00040.0008300.00040.0008400.00040.0004500.00030.0005200.00080.0004300.0010.0004400.00080.0002

由表6可以看出，泰州长江大桥和马鞍山长江大桥的冲击系数均明显小于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[13]4.3.2的设计要求(0.05)；无障碍行车条件下的测试结构小于有障碍行车的测试结果；利用动应变结果测试的冲击系数和利用动挠度测试的冲击系数保持较好的一致性。

4 结论

本文针对于三塔悬索桥荷载试验的要点开展研究，并结合泰州长江大桥和马鞍山长江大桥荷载试验的实施情况，提出了三跨悬索桥荷载试验的相关建议，研究结果为三塔悬索桥力学性能及荷载试验方法研究提供了较好的数据支撑。具体结论如下：

(1)在《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)规定的主要工况的基础上需要增加中塔扭转工况和最大不平衡缆力工况作为主要工况。

(2)在三轴载重车加载的方式下，提出了不同工况下三塔悬索桥静载试验的建议荷载效率范围。

(3)根据大跨度悬索桥的荷载试验结果，提出了三塔悬索桥结构校验系数常值的范围。

(4)测试了泰州长江大桥和马鞍山长江大桥的自振特性，并利用行车试验测试了两座桥的冲击系数，测试结果为三塔悬索桥动力性能的研究提供原始数据资料。

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Experimental Study on Three-pylon Suspension Bridges

LI Wan-heng1,2,WANG Yuan-feng1, LI Peng-fei2,WU Han-liang2

(1. Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China；
2.Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088,China)

Abstract：Referring to the load test on Taizhou Yangtze River Bridge and Maanshan Yangtze River Bridge, the key contents for the load test on three-pylon suspension bridges are proposed. The torsion of mid-pylon and the maximum imbalance cable force must be tested as the main test contents inLoadTestMethodsforHighwayBridge(JTG/T J21-01—2015). The load efficiency range for the abovementioned bridges under different working conditions with three-axle vehicle load is recommended, and the range of structural verification coefficient is proposed. The natural vibration characteristics of the abovementioned bridges are tested based on ambient vibration test, and their impact coefficients are tested using vehicle excitation respectively. The research result could provide a reference and data support to the load test and the research on the mechanical property of three-pylon suspension bridge respectively.

Key words：bridge engineering; three-pylon suspension bridge; load test; load test efficiency; structural verification coefficient

收稿日期：2016-12-08

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2009BAG15B01)

作者简介：李万恒(1972-),男，山东烟台人,博士研究生,研究员.([e-mail])

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2017.01.009

中图分类号：TU318+.1

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2017)01-0061-06